Cereb Cortex | 王朗课题组揭示星形胶质细胞具有经验依赖的稳态可塑性

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撰文︱王  朗

责编︱王思珍

大脑皮层（cortex）是接收并处理感觉信息的最高级中枢。在出生后发育早期，大脑皮层神经环路的结构和功能严重依赖于感觉经验的调控【1, 2】。以初级视皮层（primary visual cortex）V1为例，视觉发育关键期中视觉经验的缺乏会影响视皮层正常功能的建立【3】。以往的研究主要关注神经元可塑性在其中的作用和机制【4, 5】。星形胶质细胞是大脑皮层中数量最为丰富的一类神经胶质细胞。已经有越来越多的研究表明，星形胶质细胞不仅仅是神经元之间的“粘合剂”和“支撑剂”，而且可以通过多种方式直接或间接的调控神经元可塑性【6】。然而，尚不清楚大脑皮层中的星形胶质细胞自身是否同样具有依赖于感觉经验的可塑性（experience-dependent plasticity）。

2021年8月17日，浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所的王朗团队在Cerebral Cortex在线发表了题为“Homeostatic regulation of astrocytes by visual experience in the developing primary visual cortex” 的研究论文，发现出生后发育阶段V1中的星形胶质细胞的形态结构和生理特性受到不同模式的视觉经验的调控，并在视觉经验长期缺失时表现出稳态可塑性。王梁梁和许丹为论文共同第一作者。

在中枢神经系统中，星形胶质细胞的数量远超过神经元，是脑神经网络的另一个重要组成成分。S100β是一种广泛使用的星形胶质细胞标记物【7, 8】。本研究中，作者先是通过免疫组化的方法检测了出生后不同发育时期V1不同亚层（L2/3，L4，L5/6）S100β⁺细胞的数量，从而对星形胶质细胞总数量的变化进行了统计分析。胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）是星形胶质细胞增生（astrogliosis）的标记物【9】，因此也被用于标记正处于活动状态的反应性星形胶质细胞【10】。为了避免早期发育中出现的非特异性GFAP信号，作者通过检测S100β和GFAP的共标记来分析V1不同亚层反应性星形胶质细胞的数量。研究结果表明，以L2/3为例，星形胶质细胞的总数和反应性星形胶质细胞的数量都在出生后第二周达到峰值，随后有所降低，并在出生后第四周达到稳定（图1）。这一现象在V1所有亚层都是相似的。这些结果表明，星形细胞的产生和成熟在V1不同层有一个共同的时间和空间模式。

 图1. 出生后早期发育中V1 L2/3星形胶质细胞数量的变化

（图片引自：Wang LL, et al., Cereb Cortex 2021; bhab259）

除此之外，作者还通过电生理的方法对早期发育过程中星形胶质细胞的膜特性进行了检测，发现其生理特性也在出生后第三-四周达到稳定（图2A, B）。这些结果说明，V1星形胶质细胞在出生后四周逐渐发育成熟。值得注意的是，星形胶质细胞之间特有的缝隙连接（gap junction）的耦合强度（coupling strength）却在发育过程中保持稳定（图2C-F）。

图2. 出生后发育阶段V1 L2/3星形胶质细胞生理特性的变化

（图片引自：Wang LL, et al., Cereb Cortex 2021; bhab259）

随后，研究人员分别应用了三种不同的视觉经验调控模式来研究视觉经验对星形胶质细胞的一系列作用，包括：1）在小鼠出生（P）21-25（天）进行单眼视觉剥夺（monocular deprivation，MD）；2）在P21-25进行黑暗培养（dark exposure，DE）；3）从P0开始即置于黑暗环境进行长期的暗培养（dark rearing，DR）。作者发现，同样在视觉发育关键期对小鼠进行短暂的视觉经验调控，双眼视觉剥夺比单眼视觉剥夺对星形胶质细胞的影响更大，主要体现在反应性星形胶质细胞的数量和占总数量百分比的显著降低（图3）。

图3. 在关键期进行的双眼视觉剥夺（DE）降低了L2/3反应性星形胶质细胞的数量和百分比

（图片引自：Wang LL, et al., Cereb Cortex 2021; bhab259）

更加有趣的是，研究人员发现，出生后长达4周的视觉经验剥夺虽然也显著降低了反应性星形胶质细胞的数量，却显著增加了相邻星形胶质细胞间缝隙连接的耦合强度（图4） 。重新给予光照可部分恢复增加的缝隙连接强度。这一结果说明，星形胶质细胞自身可被长期视觉经验改变所调控，并产生类似于神经元的稳态可塑性。值得注意的是，因为星形胶质细胞的这种稳态调节只在视觉经验发生长期变化时才表现出来，因此具有缓慢发生的特点。

图4. 出生后四周暗培养（DR）显著增加L2/3星形胶质细胞间的缝隙连接强度

（图片引自：Wang LL, et al., Cereb Cortex 2021; bhab259）

在寻找星形胶质细胞缝隙连接强度变化的机制时，研究人员发现长时程双眼视觉剥夺可导致V1中L2/3锥体神经元的兴奋性增加。通过在V1注射病毒（AAV-CaMKII-hM4Di-EGFP）并给予CNO（氯氮平一氧化氮），研究人员在长期暗培养的小鼠中用药理遗传学方法特异性地降低了锥体神经元兴奋性，结果发现可以有效抑制星形胶质细胞缝隙连接强度的增加（图5），进一步证实视觉经验缺失介导的神经元兴奋性增加是引起星形胶质细胞缝隙连接强度变化的原因。

图5. 降低L2/3椎体神经元兴奋性可以阻断星形胶质细胞之间缝隙连接强度的增加

（图片引自：Wang LL, et al., Cereb Cortex 2021; bhab259）

图6. 工作总结图：出生后发育阶段V1星形胶质细胞的成熟和视觉经验依赖的可塑性

（图片引自：Wang LL, et al., Cereb Cortex 2021; bhab259）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，这项研究以V1为模型，详细阐明了大脑皮层星形胶质细胞在出生后早期发育中的成熟过程。更重要的是，通过应用多种视觉经验调控模式，这项研究为皮层中的星形胶质细胞在出生后发育阶段也具有经验依赖的可塑性提供了直接证据（图6）。

此外，该研究还提示星形胶质细胞的稳态可塑性具有重要意义。在视觉经验长期缺乏时，虽然星形胶质细胞的活性趋于降低，然而相邻细胞间的通讯却显著增强，这种稳态调节机制可以极大的维持神经微环路的稳定（图6）。

最后，该研究表明，星形胶质细胞自身的可塑性很可能是在一个较长时间的尺度上缓慢发生的，而其分泌信号分子调控神经元可塑性的过程则可以在分钟和小时的尺度上迅速发生。这些复杂的调控模式使得星形胶质细胞可以多种方式参与神经微环路的“塑造”和“建设”，从而在出生后大脑皮层神经微环路的精细化调控中发挥重要作用（图6）。

原文链接：https://doi.org/10.1093/cercor/bhab259

实验室成员（从右往左）：李小芳、王梁梁（一作）、王朗（通讯作者）、许丹（共同一作）、马骄、骆钰坚

（图片来源：王朗实验室）

该论文通讯作者为浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王朗副教授，博士生王梁梁和助理许丹为该论文共同第一作者。这项研究得到科技部重点项目、国家自然科学基金、以及浙江省自然科学基金等项目的资助。

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参考文献（上下滑动查看）  

【1】A. Holtmaat, K. Svoboda, Nat. Rev. Neurosci. 10, 647-658 (2009)

【2】K. P. Berry, E. Nedivi, Annu. Rev. Vis. Sci. 2, 17-35 (2016)

【3】K. R. Jenks, J. D. Shepherd, Cell Rep. 30, 1982-1994 (2020)

【4】C. N. Levelt, M. Hübener, Annu. Rev. Neurosci. 35, 309-330 (2012)

【5】G. Turrigiano, Annu. Rev. Neurosci. 34, 89-103 (2011)

【6】N. J. Allen, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 30, 439-463 (2014)

【7】E. G. Argandona, M. L. Rossi, J. V. Lafuente, Brain Res. Dev. Brain Res. 141, 63-69 (2003)

【8】 K. W. Kafitz, S. D. Meier, J. Stephan, C. R. Rose, J. Neurosci. Methods. 169, 84-92 (2008)

【9】Z. Yang, K. K. Wang, Trends. Neurosci. 38, 364-374 (2015)

【10】 L. Corvetti, E. Aztiria, L. Domenici, Brain Res. 1067, 146-153 (2006)

制版︱王思珍

本文完