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谭力铭等揭示在关键期开启前皮层高级环路的建立依赖于经历

已有 1194 次阅读 2021-8-19 09:58 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年8月18日晚23时,美国加州大学洛杉矶分校Joshua Trachtenberg lab和Larry Zipursky lab的谭力铭博士等在Current Biology在线发表了题为“Vision is required for the formation of binocular neurons prior to the classical critical period”的研究论文。


这是继作者于2020年10月在Neuron发表的题为“Vision Changes the Cellular Composition of Binocular Circuitry during the Critical Period”的文章后【6 】,关于视觉经历如何作用于皮层高级环路发育的又一重要成果。


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哺乳动物大脑皮层的结构和功能在出生后逐渐成熟,这一过程依赖于关键期 (critical period) 内的相关经历【1,2】。初级视皮层是研究依赖于后天经历的皮层发育的经典模型。David Hubel和Torsten Wiesel (1981年诺贝尔生理学和医学奖得主) 在初级视皮层的一系列开创性的工作定义了经典关键期【3】。现在普遍认为:在哺乳动物的初级视皮层,睁眼 (eye opening) 后才逐渐成熟的fast-spiking inhibition触发经典关键期的开启【2】。因此,经典关键期的开启比睁眼 (eye opening) 要晚一周至几周的时间。在关键期开启前,视觉经历对皮层环路的发育没有作用【5】。通过药物特异性增强刚睁眼动物的fast-spiking inhibition则可以引发关键期的提前开启【4】。


哺乳动物的立体视觉在视皮层的关键期内发育成熟。初级视皮层中的双眼神经元 (binocular neuron) 整合两只眼的信息,其形成的环路属于皮层高级环路,是立体视觉的环路基础【2】。依据上述关于经典关键期的理论,传统观点认为双眼神经元的建立是先天决定的,而视觉经历只有在经典关键期开启后,才能作用于构成双眼神经元的环路,调控其功能成熟【5】。然而,由于测量刚刚睁眼的幼鼠(~P14)的视皮层神经元功能存在较高难度,现在并没有明确的研究数据表明双眼神经元是如何建立的,及这一过程是否需要视觉经历。

 

在这篇新文章中,作者研究了小鼠初级视皮层 2/3亚层椎体神经元的功能。通过对睁眼后小鼠的长时程双光子成像 (见下图),并结合多种对视觉经历的操控,以及用药物特异性增强睁眼后小鼠的fast-spiking inhibition等实验,发现在小鼠刚睁眼后,初级视皮层中极少神经元是双眼神经元;此后至经典关键期开启前,双眼神经元的建立和功能成熟已经开始依赖于视觉经历,这一过程与经典关键期内发生的过程相同,即功能更好的单眼神经元转变为新的双眼神经元,来不断取代旧的功能较差的双眼神经元 (详见Neuron paper) 【6】。依赖于正常视觉经历的同侧眼视觉通路的发育驱动这一过程。通过药物特异性增强刚睁眼小鼠的fast-spiking inhibition并不能加速这一过程。


这些结果表明,小鼠双眼睁开后,视觉经历就会指导双眼视觉环路的发育 (i.e. establishment and reconfiguration);依赖于后天经历的视皮层双眼可塑性不是在经典关键期开启后才发生的,而是在视觉经历开始后 (i.e. eye opening) 就发生了,并且这一过程不需要fast-spiking inhibition。因此,这项研究修正了上述的传统观点和我们关于经典的初级视皮层双眼可塑性的关键期的认知。

 

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值得注意的是,这篇文章从submission到accepted只用了五周的时间。4位审稿人对这项研究给了“very interesting, technically impressive, truly spectacular, rock solid, will probably be the most significant finding on cortical development and plasticity to be published this year”等评价。


这项工作和作者去年在Neuron上发表的工作,在系统水平上揭示了视皮层由先天决定的和依赖于视觉经历的环路构成。从双眼睁开到经典关键期开启(这篇新文章)以及经典关键期内(Neuron paper),视觉经历通过选择性地整合这两类环路来指导双眼视觉环路的初成,重排,直到功能成熟。视觉经历怎样在分子水平影响神经元亚型的构成将是另一个研究的重点。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.07.053

 

参考文献

1.Levelt, C. N. & Hübener, M. Critical-Period Plasticity in the Visual Cortex. Annu. Rev. Neurosci. 35, 309–330 (2012).

2.Espinosa, J. S. & Stryker, M. P. Development and Plasticity of the Primary Visual Cortex. Neuron 75, 230–249 (2012).

3.Hubel, D. H. & Wiesel, T. N. The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens. J. Physiol. 206, 419–436 (1970).

4.Reh, R. K. et al. Critical period regulation acrossmultiple timescales. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 117, 23242–23251 (2020).

5.La Chioma, A. & Hübener, M. Visual Cortex: Binocular Matchmaking. Curr. Biol. 31, R197–R199 (2021).

6.Tan, L., Tring, E., Ringach, D. L., Zipursky, S. L. & Trachtenberg, J. T. Vision Changes the Cellular Composition of Binocular Circuitry during the Critical Period. Neuron 108, 735-747.e6 (2020).




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