大腦皮層作為調(diào)控生物體運(yùn)動(dòng)和思維的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，具有復(fù)雜的細(xì)胞構(gòu)成和環(huán)路連接。但其早期發(fā)育過(guò)程仍有許多未解之謎。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員王曉群課題組采用傳統(tǒng)的電生理工作方法，研究了腦發(fā)育早期重要的細(xì)胞亞型如何參與神經(jīng)環(huán)路的發(fā)育。本文介紹了王曉群組在Cerebral Cortex上連續(xù)發(fā)表的兩項(xiàng)神經(jīng)發(fā)育研究成果。
Cajal-Retzius細(xì)胞（簡(jiǎn)稱“CR細(xì)胞”）是大腦皮層中出現(xiàn)的最早的細(xì)胞類型之一，廣泛分布于新皮質(zhì)和海馬的分子層，于上個(gè)世紀(jì)初由兩位著名神經(jīng)學(xué)家Ramóny Cajal和Gustaf Retzius發(fā)現(xiàn)于不同的物種。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，研究者充分證實(shí)CR細(xì)胞與皮層的發(fā)育以及皮層內(nèi)神經(jīng)元的遷移都有著密不可分的關(guān)系：CR細(xì)胞自身發(fā)出的樹突和軸突與椎體神經(jīng)元形成大量的突出連接，并通過(guò)自身分泌reelin來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)元遷移和定位【1,2】。由于缺乏相關(guān)工具，CR細(xì)胞的發(fā)育和功能變化的研究一直未能深入，同時(shí)關(guān)于CR細(xì)胞在皮層內(nèi)軸突和樹突的分層模式，以及CR細(xì)胞接收的輸入在空間和時(shí)間上的變化的研究都留有很多問(wèn)號(hào)。可以說(shuō)，CR細(xì)胞是一種歷史悠久卻又神秘的細(xì)胞。
2018年10月12日，中科院生物物理所、卓越中心成員王曉群課題組與同濟(jì)大學(xué)沈沁課題組合作在CerebralCortex上發(fā)表了題為Morphologicaland Physiological Characteristics of Ebf2-EGFP-Expressing Cajal-Retzius Cellsin Developing Mouse Neocortex 的研究論文，該工作發(fā)現(xiàn)，在Cajal-Retzius細(xì)胞（以下簡(jiǎn)稱CR細(xì)胞）的重要分泌和調(diào)控分子Reelin（絡(luò)絲蛋白）缺失的情況下，CR細(xì)胞的發(fā)育并未受到影響，而其軸突的分布結(jié)構(gòu)及其收到的突觸前輸入強(qiáng)度卻受到了極大的影響。
研究人員首先利用Ebf2-EGFP轉(zhuǎn)基因小鼠來(lái)標(biāo)記CR細(xì)胞，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自己開發(fā)的神經(jīng)元3D重構(gòu)軟件系統(tǒng)，對(duì)CR細(xì)胞做了單細(xì)胞分辨率的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的3D細(xì)胞形態(tài)重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了CR細(xì)胞的軸突樹突在大腦皮層內(nèi)的分布有著特殊的方向并且占據(jù)著特殊的位置，在前人的研究基礎(chǔ)上更為精細(xì)和準(zhǔn)確的描繪了CR細(xì)胞軸突分布的模式。
同時(shí)，研究人員進(jìn)一步利用雙光子顯微鏡uncaging實(shí)驗(yàn)，對(duì)CR細(xì)胞的一小段軸突或樹突進(jìn)行了藥理學(xué)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Ebf2陽(yáng)性的CR細(xì)胞只接收不同層的GABA能的輸入，證明了CR細(xì)胞參與了早期皮層內(nèi)GABA能神經(jīng)元的微環(huán)路的形成。此外，結(jié)合Reeler小鼠（缺少reelin的小鼠），在發(fā)現(xiàn)重要分子Reelin缺失的情況下，CR細(xì)胞本身的發(fā)育不會(huì)受到影響，而其樹突軸突的分布位置，以及對(duì)微環(huán)路形成的調(diào)控受到了極大的損害。
CR細(xì)胞的三維重構(gòu)、CR細(xì)胞的雙光子uncaging實(shí)驗(yàn)，以及Reelin缺失下CR細(xì)胞的分布特性
此外，研究還揭示了CR細(xì)胞接受的突觸前輸入在空間和時(shí)間上變化的趨勢(shì)，補(bǔ)充了領(lǐng)域內(nèi)早期微環(huán)路研究中缺失的重要信息，進(jìn)一步完善了在皮層發(fā)育過(guò)程中CR細(xì)胞分布在空間和時(shí)間上變化的趨勢(shì)，以及CR細(xì)胞在早期微環(huán)路形成中的重要作用和分子調(diào)控機(jī)制。這些結(jié)果對(duì)未來(lái)進(jìn)一步研究CR細(xì)胞的功能提供了方向和理論基礎(chǔ)。
12月7日，王曉群研究組再次在Cerebral Cortex在線發(fā)表了題為EarlyExcitatory Activity-dependent Maturation of Somatostatin Interneurons inCortical Layer 2/3 of Mice的研究成果，該工作系統(tǒng)闡明了運(yùn)動(dòng)皮層M2中Somatostatin（SST）中間神經(jīng)元自身發(fā)育的重要時(shí)間和發(fā)育特點(diǎn)，以及興奮性神經(jīng)元對(duì)其發(fā)育進(jìn)行調(diào)控的關(guān)鍵因素。
大腦皮層作為調(diào)控生物體運(yùn)動(dòng)和思維的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，具有復(fù)雜的細(xì)胞構(gòu)成和環(huán)路連接。在大腦皮層中，約有20%的神經(jīng)元為GABA能的中間神經(jīng)元，這些中間神經(jīng)元根據(jù)其形態(tài)、生理特性的不同可以分為多種亞類。這些亞類的中間神經(jīng)元功能各異，相互結(jié)合從而精確地調(diào)節(jié)著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜活動(dòng)。其中SST中間神經(jīng)元發(fā)育較早，屬于快速發(fā)放（fast-spiking）類型的中間神經(jīng)元，對(duì)局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立和發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。
在該項(xiàng)工作中，研究人員首次系統(tǒng)地檢測(cè)了小鼠出生后第1天至第30天各個(gè)時(shí)間段的處于M2腦區(qū)的大腦皮層2/3層中SST中間神經(jīng)元各項(xiàng)電生理特征和形態(tài)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)出生后兩周中SST中間神經(jīng)元快速成熟，并在出生后第15天以后神經(jīng)元自身的電生理參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。同時(shí)，研究人員利用雙通道膜片鉗技術(shù)進(jìn)行了SST中間神經(jīng)元和附近的錐體細(xì)胞之間化學(xué)突觸聯(lián)系檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)這些突觸聯(lián)系也隨著發(fā)育的進(jìn)程不斷地增強(qiáng)。之后為了探究這些來(lái)自其他細(xì)胞的輸入是否對(duì)SST陽(yáng)性中間神經(jīng)元發(fā)育產(chǎn)生影響，研究人員采用向皮層注射毒素的方法對(duì)不同時(shí)間的突觸傳遞能力進(jìn)行干擾，并首次發(fā)現(xiàn)在出生后第1天干擾突觸傳遞后，SST中間神經(jīng)元自身的發(fā)育明顯滯后，然而在第8天進(jìn)行干擾則不會(huì)影響這類中間神經(jīng)元的成熟。為了進(jìn)一步說(shuō)明是哪種神經(jīng)元的突觸聯(lián)系導(dǎo)致了這一現(xiàn)象，研究人員利用胚胎電轉(zhuǎn)技術(shù)，將能夠抑制神經(jīng)元興奮性的Kir2.1通道僅表達(dá)在小鼠皮層椎體細(xì)胞內(nèi)。結(jié)果顯示當(dāng)錐體細(xì)胞興奮性降低時(shí)，SST中間神經(jīng)元的自身成熟將會(huì)明顯滯后，這種延遲效果至少持續(xù)到出生后一個(gè)月。
基于以上工作，王曉群組首次報(bào)道并提出SST中間神經(jīng)元自身的成熟與錐體細(xì)胞的支配強(qiáng)度和時(shí)間窗口密切相關(guān)。這一全新的結(jié)論完善了SST中間神經(jīng)元在皮層發(fā)育過(guò)程中獨(dú)特的成熟特點(diǎn)及其調(diào)控機(jī)制。我們的研究結(jié)果為研究皮層局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育、環(huán)路內(nèi)興奮－抑制平衡等方面提供了新的想法和理論基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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2. Oostland M, Sellmeijer J, van Hooft JA.Transient expression of functional serotonin 5-HT3 receptors by glutamatergic granule cells in the early postnatal mouse cerebellum[J]. J Physiol, 2011,15(20):4837-46.
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