J Neruosci︱新发现！嗅觉可塑性新机制：兴奋性轴突区域适应嗅觉系统的感觉剥夺

撰文︱刘心朗

责编︱王思珍 

嗅球（olfactory bulb，OB）是每侧大脑半球前端的卵圆形灰质块，位于大脑半球额叶和筛骨的筛板之间，向后移行于嗅束。嗅球自外向内可分为6层：嗅神经纤维层、突触小球层、外颗粒层、帽状细胞层、内颗粒层、嗅束纤维。在嗅球中，僧帽细胞（mitral cell，MC）和刷状细胞（tufted cells）的放电频率和同步放电模式能够编码重要的嗅觉信息。嗅球产生的精确信号必须沿着有髓轴突传递几毫米才能到达梨状皮质（piriform cortex）[1-4]。而下游梨状皮质的神经元对于信号的同步传入是十分敏感的，如果传入动作电位的潜伏期大于10 ms，通常无法激发动作电位（Action Potential，AP）[5-7]。尽管嗅觉信号的精确性、同步性很重要，而这些信号又必须要传播很长的距离，但对于支配嗅觉系统信号的可靠性和时间的有髓轴突的结构和功能却知之甚少。

可兴奋轴突区域，如轴突起始段（axon initial segment，AIS）和郎飞结（node of Ranvier）以及绝缘的髓鞘都能够调控细胞兴奋，放电模式和传导速率。AIS是靠近胞体的一段无髓鞘包绕的轴突，长度约为20-60 mm，含有丰富的电压门控离子通道，是AP的起始位点，其形态结构和离子通道组成决定了细胞AP阈值、AP宽度和振幅以及其他重要的放电特性。郎飞结是每两个施万细胞中间无髓鞘部分，而髓鞘是由中枢神经系统的少突胶质细胞产生的，维持轴突延长部位的电绝缘，其对于轴突AP的跳跃式传导十分重要，同时也为轴突提供营养物质和代谢支持[8-10]。

重要的是，有髓轴突组织并不是一直处于静止状态的。在面对外界的刺激及感觉变化时，AIS的位置、长度和离子通道组成都会发生改变。为了优化AP的发生时间，郎飞结具有特定大小和间距，而髓鞘则会对神经元活动做出改变。已经有实验证明有髓轴突在同步放电、优化AP传导速度、保证AP可靠性传递等方面具有重要意义[11]。然而，为了促进嗅觉信息的加工，有髓轴突是否能够发生适应改变尚不清楚。

2022年1月6日，科罗拉多大学安舒茨医学院细胞与发育生物学系的Nicholas M George（第一作者）、Diego Restrepo（通讯作者）等人在Journal of Nueroscience上发表了题为“Excitable axonal domains adapt to sensory deprivation in the olfactory system”的研究论文，提出单侧感觉剥夺导致轴突形态及髓鞘厚度的系统性适应，而僧帽细胞的峰模式和AP也发生适应改变，表明嗅觉系统适应了感觉输入的减少。因此，本项研究证明了之前未研究过的嗅觉系统可塑性机制。

与其他脑区一样，僧帽细胞（MCs）内存在可被识别的轴突起始段（AIS），但是们在嗅球（OB）中的大小及结构仍是未知的。因此，实验人员首先对OB中MCs的AIS和外侧嗅束（LOT）的郎飞结进行定量分析发现，OB是一个高度分层的结构（图1A-B）。OB中MCs的AIS长度为25.7 ± 3.81 μm，LOT中郎飞结的平均长度为1.17 ± 0.267 μm，且LOT中有更高密度郎飞结（图1 C-D）。

图1  嗅觉系统中可兴奋轴突结构域的特征

（图源：Nicholas NM et al., J Neruosci, 2022）

在中枢神经系统中，髓鞘由少突胶质细胞构成，而少突胶质细胞则是由少突胶质细胞祖细胞（OPC）增殖，分化而来。在小鼠嗅觉系统中，OPC分化和髓鞘形成的一个重要时期开始于出生后第10天（P 10）左右，到P30时基本完成。但是对于成熟嗅觉系统中的少突胶质细胞的了解是很少的。因此，研究人员对成年小鼠颗粒细胞层（GCL）和外侧嗅束（LOT）中的少突胶质细胞和OPCs进行了计数：在GCL中，6426 ± 3173526 OPCs/μm3，33616 ± 5534少突胶质细胞/μm3；在LOT中，7486 ± 2098 OPCs/μm3，99810 ± 7979 528少突胶质细胞 /μm3（图2 A-D）。髓鞘能够为轴突提供电绝缘和重要的营养/代谢支持，且轴突大小和髓鞘厚度在轴突传导速率及AP保真性中具有重要意义。因此研究人员使用g-ratio（轴突周长/髓鞘周长）评估了有髓轴突传导速率的参数[12, 13]：平均g-ratio为0.72 ± 0.07, 平均轴突直径为0.87 ± 0.31 μm（图2 D-G）。

图2  OB和LOT中少突胶质细胞谱系细胞和髓鞘的特征

（图源：Nicholas NM et al., J Neruosci, 2022）

OB是一个可塑性的结构。众所周知，当动物学习嗅觉辨别任务时，MCs的放电模式会发生显著变化[14-20]。关于轴突结构域是否适应成年动物嗅觉输入的变化，我们知之甚少。为了测试成年小鼠中有髓轴突是否对变化的嗅觉输入有反应，作者对P60小鼠进行了为期30天的单侧鼻孔闭塞（unilateral naris occlusion，UNO）手术，并测量了其MC的AIS和郎飞结的长度（图3 A）。UNO是一种感觉剥夺模型，其中一个鼻孔被手术关闭以阻断感觉输入。UNO的标志之一是酪氨酸羟化酶（TH）mRNA和蛋白质表达的活性依赖性降低，为了评估UNO的有效性，研究人员测量了P60小鼠UNO 30天和对照组小鼠的小球层（glomerular layer，GL）中TH的荧光强度（图3 B ,C）。在鼻孔闭塞动物中，闭塞嗅球GL的TH荧光强度比开放嗅球GL显著降低（~45%），对照组动物的左侧和右侧嗅球之间的TH强度没有显著差异（图3 D）。作者也比较了相对强度（UNO动物的闭塞侧/开放侧，对照组动物的左侧/右侧），发现对照组动物的相对强度大致相等，但鼻孔闭塞动物的相对强度显著降低（图3 E）。

图3 单侧鼻孔闭塞实验设计和单侧鼻孔闭塞验证

（图源：Nicholas NM et al., J Neruosci, 2022）

那么，MCs的AIS长度能否适应UNO后感官输入的变化呢？首先MCs AIS长度的测量数据显示：与对照组（7.06 - 55.1 μm）相比，UNO（15.4 - 39.5 μm,）动物的AIS长度显著增加。为了进一步研究对照组和UNO动物MCs的AIS长度分布的差异，研究人员分析了对照组、UNO鼻孔开放侧和UNO鼻孔闭塞侧动物的平均AIS长度：UNO鼻孔开放侧的AIS长度（26.9 ± 1.02 μm）显著高于对照组（25.4 ± 1.04 μm）和UNO鼻孔闭塞侧的AIS长度（25.2 ± 1.24 μm），而UNO鼻孔闭塞侧的AIS长度与对照组相比却无显著性差异（图4 A-C）。因此，较大的嗅球MCs AIS长度改变可能会通过增加MCs的AP形态多样性和放电频率来影响OB内的信息编码。

AP的保真性和传导速率对下游脑区的嗅觉信息处理十分重要，而郎飞结的改变会影响AP的保真性和传导速率。那么，探究郎飞结能否适应嗅觉系统的感觉剥夺？研究人员发现，UNO组的郎飞结长度明显短于对照组，两组动物的前肢（the anterior limb of the anterior commissur，ALAC）的郎飞结长度也无显著性差异，然而，与对照组相比，UNO动物ALAC的郎飞结长度显著增加（图4 D-K）。这些数据说明，郎飞结在进行嗅觉剥夺后发生了系统性改变。由于郎飞结是由轴突和髓鞘互相作用而形成的，因此研究人员接下来对对髓鞘和少突胶质系细胞的适应性进行了研究。

图4  UNO 30天后的MC轴突适应

（图源：Nicholas NM et al., J Neruosci, 2022）

那么，在成年人的嗅球中，少突胶质细胞及髓鞘是否会对UNO产生适应性改变呢？研究人员将对照组和UNO组的GCL和LOT的OPCs和少突胶质细胞的细胞密度进行量化均未发现显著差异。尽管如此，然而髓鞘本身也可以通过预先存在的少突胶质细胞进行重塑[21]。髓鞘是否在UNO后发生了变化？数据显示UNO组的g-ratio显著低于对照组。由于并未观察到少突胶质细胞在UNO后的变化。因此，研究人员提出：在UNO动物的髓鞘重塑是独立于少突胶质细胞的增殖和分化而进行的（图 5）。

图5 UNO 30天后的少突胶质细胞谱系细胞和有髓轴突变化情况

（图源：Nicholas NM et al., J Neruosci, 2022）

上述实验结果已经向我们展示了AIS和郎飞结在UNO后的改变，那么MCs的生理改变是怎么样的呢？接下来研究人员使用全细胞膜片钳对MCs生理情况进行记录。与对照组相比，UNO的双侧鼻孔的尖峰频率显著降低；随着电流增加，峰电位间隔的变异系数显着降低，且UNO鼻孔开放侧的变异系数显着低于对照组（图6 A-G）。AP的宽度对于AIS上的电压门控钾离子（Kv）通道的变化十分敏感，而UNO鼻孔闭塞侧的AP宽度宽于对照组。AP阈值通常与AIS长度成反比，较长的AIS通常显示较低的阈值[22, 23]，但各组中的AP阈值未发现显著性差异（图6 H-I）。UNO鼻孔闭塞侧的AP振幅显著高于对照组，但是AP振幅和膜静息电位无显著相关性（图6 J-K）。

图6  僧帽细胞尖峰和动作电位对UNO的适应性变化

（图源：Nicholas NM et al., J Neruosci, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

该研究对嗅球（OB）和外侧嗅束（LOT）中僧帽细胞（MCs）的有髓轴突进行了分析，并通过单侧鼻孔阻塞（UNO）实验来验证在感觉传入发生变化时，其是否会发生适应性的改变？在该研究中，UNO动物开放侧嗅球MCs的AIS长度与闭塞侧嗅球和对照组相比增加了8%（约2 μm），UNO降低了尖峰频率和尖峰变异性。最近有研究发现24小时的UNO后，多巴胺能神经元中的轴突起始段（AIS）长度显著变化，而MCs的AIS长度无显著变化[24]。而在本研究中，作者在发现30天UNO后MCs的AIS长度的显著变化，提示MCs需要更长的感觉剥夺期才能发生适应性改变。而闭塞侧MCs的AIS的长度与对照组相比并无显著差异，可动作电位（AP）宽度却差异明显，这又是因为什么呢？原因之一可能是由于电压门控钾离子（Kv）通道的成分及数量发生了适应性改变，电压门控NA⁺离子通道的磷酸化也会影响AP。而该实验可能是一种新的机制来解释这一发现。那么又如何解释AIS长度的增加和峰电位变异的减少呢？一种假设是AIS长度的增加是为了编码更多的传入信息，而体内峰电位的改变可能与呼吸节律、局部回路/振荡和固有膜振荡有关。该实验也提出前肢（ALAC）的变化可能是双侧控制LOT轴突活动的一种可能机制。又是什么原因引起鼻孔阻塞侧表现出不同的郎飞结长度呢？目前有几种机制：星形胶质细胞的介导；组成成分的改变；小胶质细胞的介入[25]。那么，髓鞘的厚度是如何影响嗅觉呢？在本研究中，UNO的轴突周长/髓鞘周长比值（g-ratio）较低，拥有较快的传导速率。虽然传导速率对于嗅觉信息的处理并不是十分重要的过程，但是在信息处理过程中的信号协调也是十分重要的。由于很难预测有髓轴突的适应改变如何影响系统级的信息传递。因此研究人员后续将针对较低的g-ratio对传导速率和下游信息整合的影响进行研究。总的来说，该研究为成年动物嗅觉系统有髓轴突适应变化的感觉输入的细胞可塑性提供了证据。尽管目前尚不清楚这些新适应的结果，但它们可能对下游嗅觉系统的信息处理产生重要影响。

原文链接：https://www.jneurosci.org/content/42/8/1491

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制版︱王思珍

本文完