Cell子刊：徐医大李安安团队报道VIP神经元调控嗅球气味表征的作用机制

北京时间2022年2月16日凌晨，徐州医科大学李安安课题组在Cell Reports期刊发表了题为“VIP interneurons regulate olfactory bulb output and contribute to odor detection and discrimination”的研究论文，阐明了VIP中间神经元在调控嗅球气味表征及嗅觉功能中的重要作用。

徐州医科大学王德娟副教授、研究生吴晶、刘鹏来为论文共同第一作者，李安安教授为论文通讯作者，复旦大学何苗教授参与本项目研究指导，本科生李晓文和李嘉欣对本研究做出了重要贡献。

该研究阐明了在嗅球外网状层和小球层广泛分布的一类中间神经元——表达血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide-expressing, VIP）神经元的基本特性及其与嗅球输出神经元——僧帽细胞和簇状细胞（mitral and tufted cells, M/Ts）的突触联系，并研究了其在嗅觉相关行为中的重要作用。研究发现，激活VIP神经元能够抑制自发及气味诱发的M/Ts反应，抑制气味诱发的beta及high gamma反应，调控嗅觉信息表征。膜片钳实验发现VIP神经元通过释放GABA递质与嗅球的输出神经元形成抑制性突触联系。抑制VIP神经元，僧帽细胞放电频率升高，小鼠气味检测及气味分辨能力下降（图1）。

图1. VIP神经元对嗅觉局部神经环路及嗅觉功能的调控作用示意图。

嗅觉系统是感觉神经系统的一个重要的组成部分，也是动物进化中最早出现的感觉。无论是对于动物的生存还是人类的生活，嗅觉都发挥非常重要的作用。嗅觉功能跟很多疾病密切相关，例如：癫痫患者在发作之前，有时会有嗅幻觉现象的产生；原本嗅觉灵敏的人后来嗅觉降低，可能与帕金森症或阿尔茨海默病有关。

对嗅觉感知过程以及嗅觉功能的研究，不仅能揭示嗅觉系统自身的运行原理，也能为某些相关疾病的发病原理以及早期诊断提供重要信息。嗅球是嗅觉信息传递的第一中枢， 其内部的复杂神经环路可以对来自嗅感神经元的嗅觉信息进行抽提以及整合，并作复杂的信息处理及相应编码。M/Ts为嗅球的两类投射神经元，嗅球中不同类型的中间神经元在调节M/Ts的输出等方面起重要作用，其中，在外网状层有大量的VIP中间神经元分布。VIP中间神经元在皮层的感觉信息处理、发育过程中关键环路的形成以及相关行为过程中记忆的保持方面均起到重要作用，但其在嗅球神经环路调控及嗅觉信息表征中的作用尚未有研究。

研究者首先阐明了嗅球中VIP神经元的分布及电生理特性，证明VIP神经元主要分布在外网状层和小球层（图2A）；与其他外网状层神经元一样，VIP神经元接收僧帽细胞的兴奋性神经输入（图2BC）。光纤钙记录结果显示VIP神经元对气味呈现出抑制性反应（图2D）。

图 2. 嗅球中VIP神经元的电生理特性及气味反应特征。

为了研究VIP神经元在嗅觉信息表征中的作用，研究者结合使用清醒头部固定在体电生理记录技术和光遗传技术，研究激活VIP神经元对嗅球输出神经元M/Ts电活动及嗅球局部场电位 (Local field potential, LFP) 的影响。结果表明光激活VIP神经元抑制了自发的M/Ts电活动（图3A）；气味能够诱发M/Ts的兴奋性及抑制性反应，而光激活VIP神经元抑制了气味诱发的兴奋性及抑制性反应（图3B）。电活动从单细胞水平为嗅觉信息表征编码提供重要信息，而LFP能够反映嗅球局部神经环路及嗅球与其他脑区信息的加工整合。嗅球中的LFP振荡，特别是beta振荡和high gamma振荡对气味呈现强大而稳定的响应，在气味检测中有重要作用。场电位数据表明，激活VIP神经元抑制了气味诱发的beta及high gamma振荡。这些结果提示VIP神经元在嗅觉信息表征中发挥重要作用。

图 3. 激活VIP神经元抑制自发及气味诱发的M/Ts反应。

在体电生理研究结果提示VIP神经元与嗅球输出神经元M/Ts形成抑制性突触联系。为了验证这一实验结论，研究者通过使用离体膜片钳技术进一步探究VIP神经元对嗅球僧帽细胞的调控作用。研究结果发现，不同于VIP神经元在皮层中的去抑制作用，嗅球中的VIP神经元通过释放GABA递质直接抑制僧帽细胞（图4）。

图 4. VIP神经元与僧帽细胞形成抑制性突触联系。

既然VIP神经元能抑制嗅球输出神经元的电活动，并影响嗅觉信息表征，那么VIP神经元是否会影响嗅觉行为呢？研究者用化学遗传方法失活了嗅球中的VIP神经元，从行为学水平检测了嗅觉相关行为。研究结果发现失活VIP神经元使小鼠的嗅觉检测和分辨能力降低（图5），但不影响先天的气味偏好和厌恶行为。

图 5. 失活VIP神经元导致小鼠气味检测及分辨能力降低。

简言之，该工作阐明了嗅球中VIP神经元在调控嗅觉信息表征及嗅觉功能中的重要作用。研究结果一方面有助于理解嗅球内部神经环路对嗅球输出的调控作用及机制以及嗅觉信息在嗅球中的编码过程。另一方面也能为脑内VIP中间神经元的功能提供新的线索。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110383