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专家点评CELL重磅进展!视觉经历调控皮层发育过程中神经元类型和功能的建立

已有 1393 次阅读 2022-1-21 10:37 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

哺乳动物大脑皮层环路的建立依赖于个体在发育过程中与其所处环境的相互作用。David Hubel和Torsten Wiesel (1981年诺贝尔生理学和医学奖得主) 在上世纪六七十年代的原创性工作,以及后续的大量研究揭示了后天经历如何影响哺乳动物皮层环路结构和功能的成熟(WIESEL and HUBEL, 1963; Hubel and Wiesel, 1970; Espinosa and Stryker, 2012)。皮层环路由许多类型的神经细胞通过复杂的突触网络连接构成。


高通量测序,特别是近几年单细胞测序研究揭示了哺乳动物皮层中神经细胞和非神经细胞类型(neuronal and non-neuronal cell types)的多样性 (Tasic et al., 2018),以及皮层中依赖于后天经历表达的基因(Hrvatin et al., 2018)。然而,我们至今仍不清楚后天经历能否通过决定细胞类型和功能(cell type and function)来调控皮层环路的发育。解答这一问题对在分子、细胞和功能水平上理解后天经历调控神经环路发育的机制至关重要。


北京时间2022年1月21日凌晨0时,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Larry ZipurskyJoshua Trachtenberg labs以及加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的Karthik Shekhar lab在Cell发表了题为“Vision-dependent specification of cell types and function in the developing cortex”的研究论文,专门解答了上述重要问题。


Zipursky和Trachtenberg实验室的博士生Sarah Cheng、博士后谭力铭(Liming Tan)、 以及Shekhar实验室的博士生Salwan Butrus为文章的共同第一作者。Zipursky实验室的Research Associate Runzhe Xu对本文做出了重要贡献。


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这篇文章是继Zipursky和Trachtenberg labs于2020年10月在Neuron发表的题为“Vision Changes the Cellular Composition of Binocular Circuitry during the Critical Period” (Tan et al., 2020) 以及2021年8月在Current Biology发表的题为“Vision is required for the formation of binocular neurons prior to the classical critical period” (Tan et al., 2021) 的文章后,关于后天经历如何作用于皮层发育的又一个关键性成果。

 

在这篇新文章中,作者们通过结合单细胞核测序,机器学习,视觉经历操控,遗传学以及活体功能成像,研究了视觉经历对细胞类型和功能发育的影响。作者们首先利用单细胞核测序构建了出生后小鼠初级视皮层 (V1) 的发育转录组图谱。以此为基础,并结合视觉经历的操控,作者们发现了:1)视觉经历对V1 2/3层 (L2/3) 的3个谷氨酸能神经元类型的建立和维持是必须的,而V1中的其他细胞类型不需要视觉经历;2)V1 L2/3的这3类谷氨酸能神经元分布在三个亚层,并通过~200个基因的梯度表达表现出连续的转录组变化;3) 这些基因的梯度表达依赖于视觉经历;4)在这些梯度表达的基因中,一种编码细胞粘附蛋白的基因Igsf9b,调控L2/3 谷氨酸能神经元的功能成熟 (见下图) 。


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值得注意的是,最近对小鼠、非人灵长类和人类运动皮层2/3层的单细胞多组学研究表明:除了视皮层,运动皮层2/3层也由连续变化的多类谷氨酸能神经元按亚层分布构成 (BICCN collection, Nature 2021)。而这篇Cell文章的突出贡献是,巧妙利用了小鼠初级视皮层的后天经历易操控性,揭示了视皮层2/3层连续变化的神经细胞类型是由后天经历调控细胞类型标记基因 (cell-type specific marker genes) 的梯度表达来决定的。有趣的是,在其他脑区,比如海马和杏仁核,也存在连续变化的细胞类型 (Cembrowski et al., 2016; O’leary et al., 2020; Yao et al., 2021)。因此,这篇文章提示了后天经历调控细胞类型的建立很可能是哺乳动物大脑发育过程中的普遍现象,并指向了通过整合分子、细胞、环路、生理和行为来综合研究先天遗传和后天经历如何共同塑造神经环路的结构和功能,为未来研究建立了重要的框架。


本文的共同第一作者谭力铭博士将在中科院深圳先进院脑所建立独立实验室,实验室早期将以包括这篇文章在内的近期一系列研究成果为基础,以小鼠视觉行为为模型,通过有机结合活体功能成像、功能解剖学和基于大体积组织的空间转录组,综合研究神经系统在后天发育过程中神经元类型、功能和连接的变化过程/原则以及后天经历调控这些发育过程的机制。希望有志向一起探索脑功能和发育的同学邮件联系谭博士 (tanlimingleo@gmail.com)。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.022

 

专家点评


骆利群(美国斯坦福大学教授,HHMI研究员,美国科学院院士)


The finding that visual experience is essential for the final determination of visual cortex cell types is amazing and completely unexpected. It opens a lot of interesting new directions for further exploration.


译文:视觉经历对最终决定视觉皮层细胞类型是必要的这一发现是惊人的,也是完全出乎意料的。它为进一步的探索开辟了许多有趣的新方向。


徐晗( 浙江大学教授)


神经环路是连接微观分子细胞与宏观大脑功能以及动物行为的桥梁。神经环路通常表现为两种形式:单一脑区内部的局部环路和多个脑区之间的长程环路。无论是哪种形式,神经环路均由高度多样化的神经元类型通过复杂的突触相互连接而构成。哺乳动物的大脑皮层拥有极复杂的环路连接模式,赋予了哺乳动物更强的环境适应能力。而大脑皮层中的神经元可以简单地划分为两大类:兴奋性谷氨酸能神经元和抑制性GABA能神经元。谷氨酸能神经元整合各种外部输入并产生最终输出,而GABA能神经元主要整合局部输入并密切调控谷氨酸能神经元的活动。有趣的是,在细胞类型 (cell type) 层面,近期的单细胞转录组研究表明,GABA能神经元类型在小鼠初级视皮层 (V1) 和前外侧运动皮层 (ALM) 高度相似,而大多数谷氨酸能神经元类型则呈现明显的皮层区域特异性 (Tasic et al., Nature 2018)。然而,这些多样化的神经元类型是如何在发育过程中产生的仍然不清楚。


除了遗传因素,环境因素在神经系统发育过程中发挥着不可替代的作用。与此相一致,在过去的几十年中有大量研究表明正常的感觉经历对于感觉系统包括感觉皮层结构的发育和神经元信息处理能力的获得至关重要。例如,感觉剥夺严重破坏皮层感觉功能柱,广泛影响神经元形态结构,细胞膜主动和被动特性,突触功能等等。那么,环境因素如后天感觉经历是否参与调控大脑皮层的神经元类型形成及其功能发育呢?来自UCLA和UC Berkeley的研究人员以小鼠初级视皮层 (V1) 为模型,深入研究了这一重要科学问题。作者们发现,V1第二、三、四层的谷氨酸能神经元的细胞类型在小鼠睁眼后形成并依赖正常的视觉经历,而第五、六层的谷氨酸能神经元类型则不受视觉经历的影响。此外,相较于谷氨酸能神经元,GABA能神经元类型均不受视觉经历的调控。总之,该研究首次揭示V1神经元类型的建立受视觉经历调控,并且该调控特性依赖神经元性质 (兴奋性 vs 抑制性) 和皮层板层结构 (L2/3/4 vs L5/6)。这些发现对于深入认识神经环路结构发育和功能成熟的规律和生物学机制具有重要意义。


该研究揭示了环境因素可以通过影响神经元类型从而塑造神经环路结构和功能的新机制,同时也提出了新的科学问题。例如,视觉经历为何选择性地调控V1浅层谷氨酸能神经元类型?抑制性GABA能神经元类型为何不受感觉经历的影响?这些重要的问题还有待进一步研究。此外,该研究启示了一系列新的研究方向。例如,除了视觉皮层,其它模态的感觉皮层神经元类型是否受相应模态感觉经验的调控?其背后的神经机制如何?除了感觉皮层,运动皮层甚至高级联合皮层如前额叶皮层神经元类型是否以及如何受个体后天生活经历的调控同样值得关注。


洪暐哲(Associate Professor at UCLA)


This is an extremely exciting paper by Zipursky and colleagues.  It not only provides a comprehensive transcriptomic atlas of the developing visual cortex but also reveals that vision differentially controls the specification of different populations of cortical neurons in a cell-type-specific manner.  This fundamental discovery transforms our understanding of how experiences shape the organization of the developing nervous system and has profound and broad implications on the interplay between the development and function of neural circuits.


译文:这是一篇来自 Zipursky 及其同事们的非常激动人心的论文。它不仅提供了发育中视觉皮层的详尽的转录组图谱,还揭示了视觉经历以细胞类型特异性的方式调控皮层神经元类型的形成。这一根本发现改变了我们对后天经历如何在神经系统发育中塑造其结构和功能的理解,并对进一步理解神经环路的功能及其发育的相互作用产生了广泛而深远的影响。


罗崇源(Assistant Professor at UCLA)


Mammalian brains comprise thousands of cell types distinguished by their distinct molecular, physiological, and connectivity properties. Although the majority of brain cell types are specified by genetic programs, the maturation of certain neuronal circuitry (i.e. an assembly of neurons carrying out a specific function) is known to depend on experiences such as sensory inputs. However, It is challenging to pinpoint the exact cell populations whose specification is modulated by experiences since sensory inputs typically involve moderate molecular and cellular remodeling that is difficult to measure with a tissue-wide throughput. The need for methods for high-throughput measurement of cellular states can now be addressed by single-cell genomics, which provides powerful tools to classify cell populations while simultaneously determine cellular states (e.g. maturation) using transcriptome as a proxy measurement.


The seminal study by Cheng & coauthors determined the cellular state dynamics of thousands of brain cells using single-cell transcriptome (scRNA-seq) profiling in response to visual inputs, by carrying scRNA-seq profiling across the critical period during which the maturation of the primary visual cortex is regulated by the visual stimulations. One could propose two plausible hypotheses regarding the modulation of the cortex by sensory experiences. In the first hypothesis, sensory inputs induce molecular and cellular remodeling in a broad range of cortical cell types with minimum specificity. Alternatively, cell populations show selective responsiveness to visual experiences. Cheng et al., classified visual cortical cell populations using scRNA-seq and identified significant reconfiguration of the transcriptomic program that distinguish neuronal subtypes, specifically in glutamatergic excitatory neurons located in superficial cortex layers.  The selective responsiveness of superficial excitatory neurons to visual inputs was further tested using dark rearing, a type of extreme modulation of visual input performed by housing mice in complete darkness. Dark rearing can permanently damage visual functions and is believed to maintain the visual cortex in an immature state. Consistent with the proposed role of visual stimulation in specifying cell types in the visual cortex, dark rearing diminished specificities in cell-type marker expressions. At least a fraction of molecular alterations found in dark reared animals reflect long-term changes that can not be rescued with visual stimulation following prolonged deprivation.


The study demonstrated a framework to apply genomic tools to generate hypotheses regarding the specific cell populations that respond to or mediate experience-dependent processes. However, cell-type identification using marker gene expression could lead to difficulties in distinguishing alternations in the cell-type specification from changes in gene regulation. Identifying cell types using information independent from gene expression, such as lineage tracing, could allow more definitive separation of developmental programs that are experience-dependent from ones that are genetically predetermined. 


译文:哺乳动物的大脑包含数千种细胞类型,每个细胞类型都拥有独特的分子、生理和连接特性。尽管大多数脑细胞类型由遗传程序决定,但我们知道某些特定神经环路(执行特定功能的神经元集合)的成熟取决于经历(如视觉经历等)。然而,指出经历确切调控哪些细胞很有挑战性,因为感觉输入通常不引发剧烈的分子和细胞重塑,这种程度的重塑通常难以全组织通量测量。而现在,单细胞基因组学提供了可以高通量测量细胞变化的强大工具。例如,单细胞转录组可以在给细胞分类的同时,确定如发育程度等细胞状态的变化。


初级视皮层在关键期的发育受视觉经历的调控。以小鼠初级视皮层为模型,Cheng 和同事们开创性地利用单细胞转录组在关键期的不同阶段分析数千个皮层细胞在视觉经历开始后的发育动态。我们事先可以提出两个关于感觉经历调节皮层的假设。第一种假设是,视觉经历以最小的细胞类型特异性广泛地引发不同视皮层细胞类型的分子和细胞重塑;或者,细胞类型对视觉经历表现出选择性反应。Cheng 等人利用单细胞测序首先对发育过程中的视觉皮层细胞进行分类,并依此发现了位于浅表皮层的兴奋性谷氨酸能神经元特异性地发生了可以改变神经元类型的转录程序的显著重构。作者们接着利用黑暗饲养进一步测试了浅表兴奋性神经元对视觉经历的选择性反应。黑暗饲养是一种通过将小鼠长期置于完全黑暗的环境中来完全剥夺视觉经历的方法。这种饲养方式会永久性地损害视觉功能,并被认为会使视觉皮层保持在不成熟的状态。与视觉刺激特异性地决定视觉皮层细胞类型一致,黑暗饲养降低了浅表皮层中细胞类型标记基因的特异性表达模式。在黑暗饲养的小鼠中发现的至少一部分的基因表达变化不能通过恢复视觉刺激来恢复正常的表达模式,因而这些变化反映了视觉剥夺后的长期变化。


总的来说,该研究应用了基因组工具来生成经历确切调控哪些细胞的假设,提供了研究这类问题的一个框架。然而,使用标记基因来识别细胞类型可能导致细胞类型的变化和基因调控的变化难以区分。使用独立于基因表达的信息来识别细胞类型,例如谱系追踪,可能会更明确地将依赖于经历的发育程序与遗传决定的发育程序分开。


参考文献

1, Cembrowski MS, Bachman JL, Wang L, Sugino K, Shields BC, Spruston N (2016) Spatial Gene-Expression Gradients Underlie Prominent Heterogeneity of CA1 Pyramidal Neurons. Neuron 89:351–368.

2, Espinosa JS, Stryker MP (2012) Development and Plasticity of the Primary Visual Cortex. Neuron 75:230–249 Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627312005697?via%3Dihub [Accessed June 6, 2019].

3, Hrvatin S, Hochbaum DR, Nagy MA, Cicconet M, Robertson K, Cheadle L, Zilionis R, Ratner A, Borges-Monroy R, Klein AM, Sabatini BL, Greenberg ME (2018) Single-cell analysis of experience-dependent transcriptomic states in the mouse visual cortex. Nat Neurosci 21:120–129 Available at: www.nature.com/natureneuroscience [Accessed March 31, 2021].

4, Hubel DH, Wiesel TN (1970) The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens. J Physiol 206:419–436 Available at: https://physoc.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1113/jphysiol.1970.sp009022 [Accessed November 11, 2020].

5, O’leary TP, Sullivan KE, Wang L, Clements J, Lemire AL, Cembrowski MS (2020) Extensive and spatially variable withincell-type heterogeneity across the basolateral amygdala. Elife 9:1–27.

6, Tan L, Ringach DL, Zipursky SL, Trachtenberg JT (2021) Vision is required for the formation of binocular neurons prior to the classical critical period. Curr Biol.

7, Tan L, Tring E, Ringach DL, Zipursky SL, Trachtenberg JT (2020) Vision Changes the Cellular Composition of Binocular Circuitry during the Critical Period. Neuron 108:735-747.e6 Available at: http://www.cell.com/article/S0896627320307467/fulltext [Accessed October 21, 2020].

8, Tasic B et al. (2018) Shared and distinct transcriptomic cell types across neocortical areas. Nature 563:72–78 Available at: http://www.nature.com/articles/s41586-018-0654-5 [Accessed June 6, 2019].

9, WIESEL TN, HUBEL DH (1963) SINGLE-CELL RESPONSES IN STRIATE CORTEX OF KITTENS DEPRIVED OF VISION IN ONE EYE. J Neurophysiol 26:1003–1017 Available at: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14084161 [Accessed June 6, 2019].

10, Yao Z et al. (2021) A taxonomy of transcriptomic cell types across the isocortex and hippocampal formation. Cell 184:3222-3241.e26.




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