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浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所Toru Takahata组最新研究:揭示灵长类动物视皮层中细胞色素氧化酶与丘脑-皮层轴突投射分布之间具有较强的相关性。

[发布人]:赵彤茜[发布日期]:2021-04-28[访问次数]:999

灵长类动物的视觉皮层中包含多种柱状/模块状的结构,通常认为这些结构有助于高效处理信息的整合。早在上世纪80年代,人们首次通过细胞色素氧化酶(CO)染色的方法,在初级视皮层(V1)中和次级视皮层(V2)中发现斑块(blob)或条纹状(stripe)结构(图1)。随后,研究人员发现这些斑块或条纹状结构参与处理不同的视觉信息,例如,在V1斑块和在V2细条纹中的神经元主要参与编码颜色信息,而V1斑块间隙和V2粗条纹以及浅条纹中的神经元则处理更多精细信息,包括形状,深度和运动识别等(图2)。

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图1:猕猴视皮层的CO染色结果。清楚地展示出了V1的斑块和V2的条纹。(Sincich and Horton, 2005, Ann Rev Neuroanat,已编辑)

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图2:视觉输入示意图。(Principles of Neural Sciences, 5th edition)

CO染色是目前很常见的一种染色方式,但是人们仍不清楚为何CO染色可以展现出这些功能域。CO染色主要反映神经元中线粒体的代谢活动,比如在单眼剥夺相关实验中,CO的反应活性呈现出规律的减弱现象,因此先前的研究普遍认为CO活性是和神经元的活动息息相关的,并由此得出结论,在CO染色富集的区域(如V1中的斑块,V2中的粗、细条纹)中的神经元会比周围的神经元更活跃。然而我们曾提出过质疑,因为在那些CO染色富集的区域,活动依赖型基因的表达水平并没有显著高于周围区域。因此我们提出猜想,CO染色代表着丘脑-皮层传递的轴突末梢或直接接收丘脑投射的树突(图3)。

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图3:不同理论认为的CO染色的结果。早期人们认为你CO染色代表着皮层神经元的发放活性(A);然而我们的结果表明CO染色代表着丘脑-皮层投射末梢的分布(B)或者直接接收丘脑输入的皮层神经元的树突(C)。(Takahata, 2016, Front in Neuroanat)


为验证以上猜想,我们选取了一种轴突末梢的标志性蛋白:囊泡谷氨酸转运体(型)(VGLUT2),该蛋白的mRNA在丘脑中有很高的表达量,并且其蛋白产物会被运输至皮层的轴突末梢中,因此皮层中VGLUT2的免疫组化反应可代表丘脑-皮层输入的投射末梢。在本研究中,我们系统性地比较了松鼠猴视觉皮层中CO染色和VGLUT2免疫组化的反应结果,发现在各个层面,两种染色的结果都具有高度的相似性,包括V13Bβ层的蜂窝状结构(在Brodmann的分区中,该结构在第4A层),第4层(Brodmann分区的第4C层),以及V1的斑块和V2的条纹(图4)。以上结果能够支持我们的猜想,即灵长类动物视皮层中CO染色展示出的亚结构代表着丘脑-皮层投射的末梢,因此V1的斑块或V2的条纹极有可能是分别接收来自外侧膝状体(LGN)或丘脑枕(Pulvinar)不同投射的亚结构。

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图4:本研究中证明松鼠猴视皮层中CO染色和VGLUT2免疫组化具有高度相似性。尤其在V1斑块(左)和V2条纹中(右)非常清晰。

早期的一些研究认为丘脑-皮层的投射能够极强地激活皮层,从而导致皮层神经元呈现出较强的CO 活性。但是基于我们的研究,我们将早期的研究结论稍作修改,即较强的CO活性依然存在于丘脑-皮层投射的末梢中,或在皮层神经元中直接接收丘脑投射的树突中。此结论的修改并非微不足道,比如,此结论表明V1斑块和V2粗、细条纹中的神经元并不一定比斑块间隙或条纹间隙的神经元要更加活跃。早期的研究认为V1斑块中的神经元比斑块间隙的神经元更活跃,从而推测出斑块中的神经元不具有方向选择性,而是对所有的方向都反应,但是根据我们的理论,这一说法是不正确的,近期也有一些其他的研究表明V1斑块中的神经元具有一定的方向选择性,这一结论与我们的理论是一致的;此外,在单眼剥夺处理后,CO染色只展示出V1中第4层的眼优势柱和2/3CO斑块的缩小,在一定程度上表明彼此分离的眼优势柱结构仅存在于以上几个区域,但事实上,眼优势柱在其他层也有广泛的分布。由此可见,如果仅仅将CO染色的结果认为是皮层神经元的发放活动,其结果可能会导致错误的结论。除此之外,我们的研究结果表明丘脑-皮层投射的末梢与皮层功能柱的起源存在较强的关联。

本文通讯作者是浙大系统神经所Toru Takahata教授,博士生姚松坪为论文第一作者,周秋盈,李水煜为共同作者。本文于2021年2月发表于Frontiers in neuroanatomy.

论文链接https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnana.2021.629473/full

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