丘腦皮層環(huán)路以及聽皮層內(nèi)部環(huán)路的層特征和細(xì)胞選擇性.pdf

1、本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行論述：
　　第一部分小鼠丘腦皮層上行傳導(dǎo)通路的層特征和特異細(xì)胞選擇性
　　目的：
　　丘腦對(duì)皮層L4的投射已經(jīng)是在離體腦片和在體技術(shù)中，被多次證實(shí)了的。在這些研究中，興奮性和抑制性神經(jīng)元的區(qū)分是可以通過注入一串電流，從放電類型上判斷的。但是對(duì)不同抑制性神經(jīng)元的區(qū)分研究，是最近才開始出現(xiàn)的。從之前少數(shù)幾篇報(bào)道中，我們可以確定，弄清丘腦-皮層投射的細(xì)胞選擇性和層特征性，對(duì)進(jìn)一步了解丘腦-皮層環(huán)路的

2、傳遞機(jī)制有著至關(guān)重要的作用。
　　方法：
　　丘腦-皮層反應(yīng)需要在丘腦-皮層腦片上，通過電刺激纖維記錄。但電刺激往往會(huì)造成目標(biāo)以外的纖維和神經(jīng)元也同時(shí)被激活，因此本文采用光遺傳學(xué)的方法進(jìn)行研究。光遺傳性是近年來逐漸興起的一門新技術(shù)，主要用于長距離投射環(huán)路的研究。通過在哺乳動(dòng)物神經(jīng)元表面表達(dá)光感陽離子通道ChR2(channelrhodopsin2)，該神經(jīng)元可以被藍(lán)色激發(fā)光以極其精準(zhǔn)的方式激活，更重要的是，足夠的ChR2可以

3、在纖維和神經(jīng)元的突觸終末表達(dá)，并直接被藍(lán)色激發(fā)光激活，從而釋放神經(jīng)遞質(zhì)，不需要上一級(jí)神經(jīng)元的參與。因此，光遺傳學(xué)的應(yīng)用，可以以更精準(zhǔn)的方式對(duì)遠(yuǎn)距離神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行研究。在本篇文章中，我們通過使用可以標(biāo)記不同神經(jīng)元類型的轉(zhuǎn)基因小鼠，在其丘腦位置注入光蛋白，使皮層神經(jīng)元的突觸終末表達(dá)ChR2的方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)丘腦-皮層環(huán)路層特異性和細(xì)胞選擇性的研究。
　　結(jié)果：
　　本文采用離體腦片全細(xì)胞記錄的方法，人工腦脊液中加入TTX循環(huán)給藥，

4、通過在不同轉(zhuǎn)基因小鼠的A1(Primary Audiotry Cortex，A1)和V1(PrimaryVisural Cortex，V1)上，獲得丘腦-皮層投射到小清蛋白陽性細(xì)胞PV(Parvalbumin，PV)，生長激素抑制素陽性細(xì)胞SOM(Somatostatin，SOM)，腸血管活性多肽陽性細(xì)胞VIP(Vasoactive Intestinal Peptide，VIP)，PC(Pyramidal Cell，PC)以及L1抑制性

5、神經(jīng)元的單突觸反應(yīng)，測(cè)量這些神經(jīng)元的相對(duì)反應(yīng)幅度，結(jié)果發(fā)現(xiàn):L4是主要接收TC上行投射的區(qū)域，這一點(diǎn)與之前的報(bào)道一致。對(duì)于興奮性神經(jīng)元，丘腦對(duì)其廣泛的支配作用在所有層都存在，而對(duì)L4的支配強(qiáng)度是其它層的至少兩倍。TC對(duì)PV和興奮性神經(jīng)元的支配模式非常相似，L4是它們接收投射最強(qiáng)的范圍;而且不論在哪一層，它們的接收能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它神經(jīng)元。這一結(jié)果很有力的說明，PV和興奮性神經(jīng)元是接收TC上行傳遞感覺信息的主要目標(biāo)細(xì)胞。與PV和興奮性神經(jīng)

6、元截然不同，SOM和VIP神經(jīng)元幾乎不接收TC的支配作用，只有在L4有30％左右的神經(jīng)元表現(xiàn)出反應(yīng)，而且該反應(yīng)都非常弱，由此我們推測(cè)VIP和SOM神經(jīng)元不太可能提供抑制性前饋?zhàn)饔?，而更適合給興奮性神經(jīng)元提供抑制性反饋。此外，L1淺層區(qū)0-50um區(qū)間的抑制性神經(jīng)元也能接受丘腦的上行投射，該反應(yīng)強(qiáng)度和L4興奮性神經(jīng)元相當(dāng);而深層區(qū)50-100um區(qū)間的抑制性神經(jīng)元并無響應(yīng)，說明L1淺層區(qū)和深層區(qū)可能存在功能上的分工。而TC對(duì)皮層投射的層特

7、異性，與皮層內(nèi)樹突上ChR2-EYPF表達(dá)的趨勢(shì)有很好的相關(guān)性，表明丘腦投射纖維的強(qiáng)度很大程度決定了其對(duì)皮層投射的強(qiáng)度。雖然TC對(duì)皮層的投射存在層特異性和細(xì)胞選擇性，但是丘腦對(duì)PV和興奮性神經(jīng)元支配作用的比值，在每一層都是相對(duì)恒定的，這說明，這種抑制前饋的強(qiáng)度，是根據(jù)丘腦對(duì)興奮性神經(jīng)元支配作用的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)的，從而保證整個(gè)皮層神經(jīng)元對(duì)感覺信息的興奮-抑制平衡。本文發(fā)現(xiàn)，TC對(duì)皮層投射的方式具有層特異性和細(xì)胞選擇性，在A1和V1都以類似的

8、方式存在，說明感覺信息從丘腦投射到皮層，都是以同樣的方式進(jìn)行整合處理的。
　　結(jié)論：
　　綜合上述結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)得出下列結(jié)論:
　　1)皮層L4和L3深層，是TC上行投射的主要目標(biāo)區(qū)域。
　　2)PV是接收TC直接支配作用最強(qiáng)的神經(jīng)元，其次是PC;在所有層，這兩類神經(jīng)元都能接受TC的直接輸入，PV神經(jīng)元始終顯示最強(qiáng)的反應(yīng)。
　　3) SOM和VIP神經(jīng)元很少參與TC感覺信息的上行傳遞環(huán)路。僅在L4有少數(shù)神經(jīng)元

9、能接收TC輸入，且該輸入非常弱，其它層均無反應(yīng)。
　　4) L1抑制性神經(jīng)元能夠接收TC直接支配，這種支配強(qiáng)度和Pyramidal相當(dāng)。但僅存在于L1淺層0-50um區(qū)間，L1深層50-100um區(qū)間神經(jīng)元對(duì)該輸入無響應(yīng)。
　　第二部分小鼠初級(jí)聽皮層內(nèi)部調(diào)控環(huán)路的層特征和特異細(xì)胞選擇性
　　目的：
　　研究皮層內(nèi)局部環(huán)路層特異性和細(xì)胞選擇性。
　　方法：
　　在本篇文章中，我們通過使用可以標(biāo)記不同神經(jīng)

10、元類型的轉(zhuǎn)基因小鼠，在其聽皮層位置注入光蛋白，使皮層內(nèi)所有層的不同抑制性中間神經(jīng)元的表面均分別表達(dá)ChR2，分別刺激不同層不同抑制性神經(jīng)元，同時(shí)記錄不同層興奮性椎體神經(jīng)元突觸后反應(yīng)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮層內(nèi)局部環(huán)路層特異性和細(xì)胞選擇性的研究。
　　結(jié)果：
　　本文采用離體腦片全細(xì)胞記錄的方法，使聽皮層所有層的PV，SOM、VIP神經(jīng)元表面分別均表達(dá)光感通道ChR2-EYFP，通過垂直移動(dòng)80um直徑的藍(lán)光光圈，使之分別刺激聽皮層垂

11、直柱內(nèi)的每一層抑制性神經(jīng)元，記錄不同層的興奮性椎體神經(jīng)元抑制性突觸后電流(Inhibitory Postsynaptic Current，IPSC)，探究在聽皮層內(nèi)，不同抑制性神經(jīng)元對(duì)興奮性椎體細(xì)胞的支配模式。結(jié)果顯示，PV神經(jīng)元在聽皮層垂直柱內(nèi)的跨層投射范圍最小，幾乎僅對(duì)本能內(nèi)的興奮性椎體神經(jīng)元提供抑制性輸入。相比之下，SOM和VIP神經(jīng)元的跨層輸入范圍非常廣泛，在所有跨層反應(yīng)中，L4和L5的興奮性椎體神經(jīng)元接收的所有抑制性輸入來源最

12、為廣泛。這給我們提供了一個(gè)新的信息，L5不僅參與將聽覺信息傳到低位中樞，在聽皮層內(nèi)部對(duì)聲音信號(hào)整合上也發(fā)揮了很大作用。通過比較不同抑制性神經(jīng)元提供的IPSC幅度，我們還發(fā)現(xiàn)所有抑制性中間神經(jīng)元對(duì)本層內(nèi)的興奮性神經(jīng)元支配強(qiáng)度最強(qiáng)，這一點(diǎn)在和之前的報(bào)道結(jié)果一致。通過在同一水平層內(nèi)移動(dòng)光圈，以此刺激距離記錄興奮性神經(jīng)元胞體不同距離的抑制性神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一層內(nèi)，PV神經(jīng)元能夠給椎體神經(jīng)元提供的抑制性輸入距離最短，距離所記錄神經(jīng)元100u

13、m的PV細(xì)胞，幾乎不提供IPSC;而SOM神經(jīng)元提供的輸入范圍最廣泛，最遠(yuǎn)距興奮性神經(jīng)元300um的SOM細(xì)胞仍然具有支配作用，400um時(shí)，才這種支配作用才完全消失。VIP神經(jīng)元在同一水平層內(nèi)的支配能力介于這二者之間，最遠(yuǎn)可到200um。但和SOM、VIP神經(jīng)元相比，PV所能提供的抑制性輸入強(qiáng)度是最強(qiáng)的。
　　結(jié)合第一部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為，PV、SOM、VIP三種抑制性中間神經(jīng)元在感覺信息的處理方式上有很大不同。PV神經(jīng)元作為

14、主要的丘腦-皮層上行信息接收者，它主要參與遠(yuǎn)距離感覺信息的處理，而在皮層內(nèi)部，PV提供的跨層抑制性輸入以及同一水平層內(nèi)的抑制性輸入范圍都非常小，說明PV較少參與對(duì)皮層內(nèi)部信息處理。相比之下，SOM和VIP神經(jīng)元對(duì)遠(yuǎn)距離的感覺信息整合幾乎無作用，但在聽皮層內(nèi)部，二者的跨層輸出范圍非常多，在同一水平層內(nèi)的抑制性輸出距離也遠(yuǎn)大于PV，說明SOM和VIP神經(jīng)元的主要作用是對(duì)感覺信息在皮層內(nèi)部的整合處理。此外，和PV神經(jīng)元相比，SOM和VIP提供

15、的抑制性輸出強(qiáng)度比較弱，我們認(rèn)為，這種比較弱的輸出更有利于SOM和VIP實(shí)現(xiàn)在皮層內(nèi)部對(duì)感覺信息的精細(xì)調(diào)控。
　　結(jié)論：
　　綜合上述結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)得出下列結(jié)論:
　　1)在聽皮層，PV神經(jīng)元的跨層輸出范圍很小，幾乎僅對(duì)本層內(nèi)的興奮性椎體神經(jīng)元提供抑制性輸入，但這種輸入強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于VIP和SOM神經(jīng)元。
　　2) SOM和VIP神經(jīng)元在A1的跨層投射作用比較廣泛，其中L4和L5的興奮性神經(jīng)元接受到的跨層抑制性輸入來

16、源最多。
　　3)在同一水平層內(nèi)，PV神經(jīng)元能夠提供的抑制性輸出范圍最短，最遠(yuǎn)能夠支配100um遠(yuǎn)的興奮性神經(jīng)元;SOM神經(jīng)元提供的輸入范圍最廣泛，最遠(yuǎn)可到300um; VIP神經(jīng)元在同一水平層內(nèi)的支配能力介于這二者之間，最遠(yuǎn)可到200um。4) PV神經(jīng)元更多的功能是參與遠(yuǎn)距離感覺信息的輸入，對(duì)皮層內(nèi)部信息整合的作用較少，但是其抑制性輸出是最強(qiáng)的;與PV神經(jīng)元相反，SOM和VIP主要參與聽覺信息在皮層內(nèi)部的處理，抑制性輸出的強(qiáng)度