大脑皮层是由负责不同功能的很多区域所组成的。即使在单个区域内,神经元的功能也常常根据其在皮层上的位置展现出精密的组织规律。例如,在高等动物的V1中,对不同视觉朝向起反应的神经元并非无序地混杂在一起,而是以一种风车状(pinwheel-like)结构分布在皮层上。既然神经元的反应特性是由它们所接受的上一级输入所决定的,那么V1风车状功能结构的产生是由什么样的输入通路导致的?这些输入通路是否具有风车状的功能结构?这些疑问是困扰了视觉皮层研究者们多年的难题。

科学网9月5日上海讯今天,中科院上海生科院神经所蒲慕明研究组在《自然:神经科学》上在线发表了题为《与恐惧记忆相关的杏仁核-皮层突触特异性变化》的研究论文,首次揭示了在听觉恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核-听觉皮层投射通路,并发现该通路在听觉恐惧学习后会发生特异性的突触连接重构。研究人员进一步通过双色双光子成像技术发现,新突触连接主要通过在已存在的突触上添加新的突触结构的方式形成,提示了成年大脑皮层中新突触形成的基本规律。

同一根树突上的不同树突棘和同一根轴突上的不同轴突小结都分别会与不同的神经元形成突触。突触可塑性是否可由特定的连接通路决定?为回答这一问题,研究人员在活体动物中首次使用了双色双光子成像技术。通过在特定通路中的突触前与突触后神经元中表达不同的荧光蛋白,研究人员可以直接观察到该通路中的突触结构。用这个方法,研究人员发现,恐惧学习后,侧杏仁核——听皮层通路中的轴突小结及树突棘增加比例都远高于平均,即突触可塑性可由连接通路决定。进一步研究发现,侧杏仁核——听皮层通路中的突触数目在恐惧训练两小时后就有显著增加,且增加可延续至3天以上,与恐惧记忆形成和巩固的时程一致,提示此通路可能与恐惧记忆的存储相关。

88必发 1

据悉,该项工作是在蒲慕明院士的指导下,由神经所的杨扬和刘丹倩共同完成的。该研究首次发现了在恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核——听觉皮层通路,及该通路与恐惧学习相关的特异性重构。专家认为,此研究为研究通路特异结构的可塑性提供了新方法,对条件恐惧学习的神经环路研究是重要的补充,并且提示了成年动物大脑中新突触形成的基本规律。

中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所蒲慕明研究组于9月5日在《自然-神经科学》上在线发表了一篇题为《与恐惧记忆相关的杏仁核-皮层突触特异性变化》的文章,首次揭示了在听觉恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核-听觉皮层投射通路,并发现该通路在听觉恐惧学习后会发生特异性的突触连接重构。研究人员进一步通过双色双光子成像技术发现,新突触连接主要通过在已存在的突触上添加新的突触结构的方式形成,提示了成年大脑皮层中新突触形成的基本规律。

这项工作由张清芳、李昊作为共同第一作者,在副研究员温云卿和研究员蒲慕明的指导下完成。课题受中科院战略性先导科技专项“脑功能联结图谱计划”、中科院前沿科学重点研究计划、中科院国际伙伴计划、国家自然科学基金、上海市基础研究重点项目、科技部“973”项目等资助,在神经所独立完成。

侧杏仁核——听皮层通路在条件恐惧学习后是否表现出突触可塑性?皮层中的突触由突触前轴突小结和突触后树突棘构成。研究人员用双光子成像技术对小鼠听皮层进行在体长期成像,以追踪此通路中来自侧杏仁核的轴突小结和听皮层细胞的树突棘的结构变化。发现侧杏仁核的轴突小结和听皮层第五层细胞的顶树突的树突棘在恐惧学习3天之后都有显著增加。与之形成对照的是,来自前扣带回皮层和听觉丘脑的突触前轴突小结,以及听皮层第2/3层细胞的树突棘,在恐惧学习之后都没有显著变化,提示恐惧学习可特异性地造成侧杏仁核细胞与听皮层第5层细胞的突触重构。

88必发 2

为了解决这个问题,蒲慕明研究组首先建立了一套基于突触前定位的钙指示蛋白的双色钙成像方法。研究者们将钙指示蛋白连接到囊泡蛋白上,成功实现了钙指示蛋白的突触前定位,并进一步构造了多种具有不同颜色和反应特性的版本。这样,研究者们就可以将具有不同颜色的钙指示蛋白表达到不同的输入通路上,并通过双色钙成像同时测量这些不同通路的反应特性,进而比较它们的功能结构。

同一根树突上的不同树突棘和同一根轴突上的不同轴突小结都分别会与不同的神经元形成突触。突触可塑性是否可由特定的连接通路决定?为回答这一问题,研究人员在活体动物中首次使用了双色双光子成像技术。通过在特定通路中的突触前与突触后神经元中表达不同的荧光蛋白,研究人员可以直接观察到该通路中的突触结构。用这个方法,研究人员发现,恐惧学习后,侧杏仁核——听皮层通路中的轴突小结及树突棘增加比例都远高于平均,即突触可塑性可由连接通路决定。进一步研究发现,侧杏仁核——听皮层通路中的突触数目在恐惧训练两小时后就有显著增加,且增加可延续至3天以上,与恐惧记忆形成和巩固的时程一致,提示此通路可能与恐惧记忆的存储相关。

侧杏仁核——听皮层通路在条件恐惧学习后是否表现出突触可塑性?皮层中的突触由突触前轴突小结和突触后树突棘构成。研究人员用双光子成像技术对小鼠听皮层进行在体长期成像,以追踪此通路中来自侧杏仁核的轴突小结和听皮层细胞的树突棘的结构变化。研究发现侧杏仁核的轴突小结和听皮层第五层细胞的顶树突的树突棘在恐惧学习3天之后都有显著增加。与之形成对照的是,来自前扣带回皮层和听觉丘脑的突触前轴突小结,以及听皮层第2/3层细胞的树突棘,在恐惧学习之后都没有显著变化,提示恐惧学习可特异性地造成侧杏仁核细胞与听皮层第5层细胞的突触重构。

初级视觉皮层内部连接的朝向图,其风车状功能结构和初级视觉皮层本身的功能结构非常相似。比例尺为100微米。

88必发,中科院上海生科院神经所 蒲慕明小组揭示恐惧记忆相关突触特异性变化机制

图A:局部注射EGFP顺向标记LA的神经元,在同侧ACx能检测到荧光标记的轴突信号。图B:在LA注射表达hM4D的病毒。在恐惧记忆测试时,在ACx局部注射hM4D的配体CNO以阻断LA-ACx通路的突触传递。*
p “ 0.05, ** p “
0.01。图C:在LA注射表达eArch3.0的病毒。在恐惧记忆测试时,在ACx照射绿光以抑制投射到ACx的LA轴突。图D:左:训练后3天,投射到ACx表层的LA轴突小结的形成比例和消失比例。右:ACx
L5神经元顶树突上树突棘的形成和消失比例。每个圆圈代表一只小鼠。图E:左:双色双光子在体成像观察LA的轴突和L5神经元顶树突。白色箭头,三角形和菱形分别指示稳定的,新形成的和消失的突触。右:对照组和实验组中,LA-ACx突触在训练后新形成及消失的比例。***p“0.001。图F:左:新的树突棘与已有的轴突小结形成新的突触。右:新的轴突小结与已有的树突棘形成新的突触。

除了揭示了投射至初级视觉皮层的输入通路的功能结构之外,这项工作所建立的双色钙成像技术有望应用于多种研究体系,成为研究脑区之间连接的功能结构的一种通用手段,为神经科学的研究者们提供一种新的工具。

条件恐惧是学习与记忆研究中常用的行为范式。在听觉条件恐惧学习中,小鼠先听到一个声音,再被给予一个足部电击。小鼠会将声音与电击关联起来,并在声音到来时表现出恐惧反应。关于条件恐惧的神经环路基础,人们普遍认为,听觉信息从听觉丘脑和皮层传入,然后经由听觉丘脑——侧杏仁核及听皮层-——侧杏仁核通路,在侧杏仁核与来自体感皮层的电击信息整合。然而,在此项研究中,结合荧光标记、病毒示踪和免疫电镜技术等,研究人员发现了一个新的投射通路:侧杏仁核——听觉皮层。运用化学遗传和光遗传技术,研究人员发现选择性抑制此通路的神经活动可大幅度降低小鼠的恐惧反应,表明此通路在恐惧记忆中起着关键作用。

此项工作在蒲慕明指导下,由神经所的杨扬和刘丹倩共同完成。该研究首次发现了在恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核——听觉皮层通路,及该通路与恐惧学习相关的特异性重构。此研究为研究通路特异结构的可塑性提供了新方法,对条件恐惧学习的神经环路研究是重要的补充,并且提示了成年动物大脑中新突触形成的基本规律。

使用这种策略,研究者们发现在投射至V1的输入通路中,来自V1本身的内部连接(intrinsic
connection)和来自次级视觉皮层的反馈连接(feedback
connection)都存在着风车状的功能结构。通过和V1神经元本身的功能结构的比较,研究者们发现V1内部连接的结构与之有着精准的对齐,而V2至V1的反馈连接则相对较为散乱。这意味着V1的不同输入通路在其功能结构产生过程中存在着不同的作用。

使用双色成像技术,研究人员还发现,新形成的突触绝大多数都是在已存在的突触结构上添加新的突触结构的方式形成,很少有突触前后均为新形成的“全新”突触。这个新增突触连接的方式可以节省空间和结构蛋白数量,是一种很“经济”的突触形成方式。并且,在所有观察过的皮层下—皮层,以及皮层—皮层通路中,突触形成都遵循此规律,故而此规律可能是成年动物大脑皮层中新增突触的通用规则。

条件恐惧是学习与记忆研究中常用的行为范式。在听觉条件恐惧学习中,小鼠先听到一个声音,再被给予一个足部电击。小鼠会将声音与电击关联起来,并在声音到来时表现出恐惧反应。关于条件恐惧的神经环路基础,人们普遍认为,听觉信息从听觉丘脑和皮层传入,然后经由听觉丘脑——侧杏仁核及听皮层-——侧杏仁核通路,在侧杏仁核与来自体感皮层的电击信息整合。然而,在此项研究中,结合荧光标记、病毒示踪和免疫电镜技术等,研究人员发现了一个新的投射通路:侧杏仁核——听觉皮层。运用化学遗传和光遗传技术,研究人员发现选择性抑制此通路的神经活动可大幅度降低小鼠的恐惧反应,表明此通路在恐惧记忆中起着关键作用。

5月14日,中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室蒲慕明研究组在《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了题为《初级视觉皮层中内部连接及反馈连接的功能结构》的研究文章。这项工作建立了一套旨在研究脑区间连接的双色钙成像方法,并利用这种方法对树鼩中投射至初级视觉皮层的两条输入通路的功能结构进行了探讨。

使用双色成像技术,研究人员还发现,新形成的突触绝大多数都是在已存在的突触结构上添加新的突触结构的方式形成,很少有突触前后均为新形成的“全新”突触。这个新增突触连接的方式可以节省空间和结构蛋白数量,是一种很“经济”的突触形成方式。并且,在所有观察过的皮层下—皮层,以及皮层—皮层通路中,突触形成都遵循此规律,故而此规律可能是成年动物大脑皮层中新增突触的通用规则。