王晓群组连续发文揭示脑发育早期重要细胞亚型如何参与神经环路发育

责编 | 狄德罗

大脑皮层作为调控生物体运动和思维的中枢神经系统，具有复杂的细胞构成和环路连接。但其早期发育过程仍有许多未解之谜。中国科学院生物物理研究所研究员王晓群课题组采用传统的电生理工作方法，研究了脑发育早期重要的细胞亚型如何参与神经环路的发育。本文介绍了王晓群组在Cerebral Cortex上连续发表的两项神经发育研究成果。

Cajal-Retzius细胞（简称“CR细胞”）是大脑皮层中出现的最早的细胞类型之一，广泛分布于新皮质和海马的分子层，于上个世纪初由两位著名神经学家Ramóny Cajal和Gustaf Retzius发现于不同的物种。经过数十年的研究，研究者充分证实CR细胞与皮层的发育以及皮层内神经元的迁移都有着密不可分的关系：CR细胞自身发出的树突和轴突与椎体神经元形成大量的突出连接，并通过自身分泌reelin来调节神经元迁移和定位【1,2】。由于缺乏相关工具，CR细胞的发育和功能变化的研究一直未能深入，同时关于CR细胞在皮层内轴突和树突的分层模式，以及CR细胞接收的输入在空间和时间上的变化的研究都留有很多问号。可以说，CR细胞是一种历史悠久却又神秘的细胞。

2018年10月12日，中科院生物物理所、卓越中心成员王晓群课题组与同济大学沈沁课题组合作在CerebralCortex上发表了题为Morphologicaland Physiological Characteristics of Ebf2-EGFP-Expressing Cajal-Retzius Cellsin Developing Mouse Neocortex 的研究论文，该工作发现，在Cajal-Retzius细胞（以下简称CR细胞）的重要分泌和调控分子Reelin（络丝蛋白）缺失的情况下，CR细胞的发育并未受到影响，而其轴突的分布结构及其收到的突触前输入强度却受到了极大的影响。

研究人员首先利用Ebf2-EGFP转基因小鼠来标记CR细胞，通过实验室自己开发的神经元3D重构软件系统，对CR细胞做了单细胞分辨率的多个时间点的3D细胞形态重构，发现了CR细胞的轴突树突在大脑皮层内的分布有着特殊的方向并且占据着特殊的位置，在前人的研究基础上更为精细和准确的描绘了CR细胞轴突分布的模式。

同时，研究人员进一步利用双光子显微镜uncaging实验，对CR细胞的一小段轴突或树突进行了药理学的实验，发现Ebf2阳性的CR细胞只接收不同层的GABA能的输入，证明了CR细胞参与了早期皮层内GABA能神经元的微环路的形成。此外，结合Reeler小鼠（缺少reelin的小鼠），在发现重要分子Reelin缺失的情况下，CR细胞本身的发育不会受到影响，而其树突轴突的分布位置，以及对微环路形成的调控受到了极大的损害。

CR细胞的三维重构、CR细胞的双光子uncaging实验，以及Reelin缺失下CR细胞的分布特性

此外，研究还揭示了CR细胞接受的突触前输入在空间和时间上变化的趋势，补充了领域内早期微环路研究中缺失的重要信息，进一步完善了在皮层发育过程中CR细胞分布在空间和时间上变化的趋势，以及CR细胞在早期微环路形成中的重要作用和分子调控机制。这些结果对未来进一步研究CR细胞的功能提供了方向和理论基础。

12月7日，王晓群研究组再次在Cerebral Cortex在线发表了题为EarlyExcitatory Activity-dependent Maturation of Somatostatin Interneurons inCortical Layer 2/3 of Mice的研究成果，该工作系统阐明了运动皮层M2中Somatostatin（SST）中间神经元自身发育的重要时间和发育特点，以及兴奋性神经元对其发育进行调控的关键因素。

大脑皮层作为调控生物体运动和思维的中枢神经系统，具有复杂的细胞构成和环路连接。在大脑皮层中，约有20%的神经元为GABA能的中间神经元，这些中间神经元根据其形态、生理特性的不同可以分为多种亚类。这些亚类的中间神经元功能各异，相互结合从而精确地调节着神经网络的复杂活动。其中SST中间神经元发育较早，属于快速发放（fast-spiking）类型的中间神经元，对局部神经网络的建立和发育起着至关重要的作用。

在该项工作中，研究人员首次系统地检测了小鼠出生后第1天至第30天各个时间段的处于M2脑区的大脑皮层2/3层中SST中间神经元各项电生理特征和形态特点，发现出生后两周中SST中间神经元快速成熟，并在出生后第15天以后神经元自身的电生理参数基本趋于稳定。同时，研究人员利用双通道膜片钳技术进行了SST中间神经元和附近的锥体细胞之间化学突触联系检测，发现这些突触联系也随着发育的进程不断地增强。之后为了探究这些来自其他细胞的输入是否对SST阳性中间神经元发育产生影响，研究人员采用向皮层注射毒素的方法对不同时间的突触传递能力进行干扰，并首次发现在出生后第1天干扰突触传递后，SST中间神经元自身的发育明显滞后，然而在第8天进行干扰则不会影响这类中间神经元的成熟。为了进一步说明是哪种神经元的突触联系导致了这一现象，研究人员利用胚胎电转技术，将能够抑制神经元兴奋性的Kir2.1通道仅表达在小鼠皮层椎体细胞内。结果显示当锥体细胞兴奋性降低时，SST中间神经元的自身成熟将会明显滞后，这种延迟效果至少持续到出生后一个月。

基于以上工作，王晓群组首次报道并提出SST中间神经元自身的成熟与锥体细胞的支配强度和时间窗口密切相关。这一全新的结论完善了SST中间神经元在皮层发育过程中独特的成熟特点及其调控机制。我们的研究结果为研究皮层局部神经网络的发育、环路内兴奋－抑制平衡等方面提供了新的想法和理论基础。

参考文献

1. Leemhuis J, Bock HH. Reelin modulates cytoskeletal organization by regulating Rho GTPases[J].Department of Pharmacology,2011,4(3):254-7. 

2. Oostland M, Sellmeijer J, van Hooft JA.Transient expression of functional serotonin 5-HT3  receptors by glutamatergic granule cells in the early postnatal mouse cerebellum[J]. J Physiol, 2011,15(20):4837-46. 

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