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Neuron | 中科院上海有机所生物与化学交叉研究中心科研团队发现视觉皮层回路中兴奋-抑制平衡的节律性振荡

发布时间: 2019-12-11 17:42:48    浏览次数:4234

 

导语

2019年12月9日国际权威学术期刊《Neuron》杂志发表了由中科院上海有机所生物与化学交叉研究中心何凯雯研究员课题组联合约翰霍普金斯大学Alfredo Kirkwood团队的最新研究成果 “Daily Oscillations of the Excitation-Inhibition Balance in Visual Cortical Circuits”。该工作首次发现锥体神经元的E/I平衡并非恒定,而是在一天中发生周期性的振荡。进一步分析发现,E/I平衡的昼夜振荡依赖于睡眠,内源性大麻素(eCB)积极参与到该调控过程。另外,E/I的昼夜振荡具有环路特异性,提示E/I平衡的昼夜调控可能参与调节特定环路对应脑功能在昼夜间的自然变化。

 

【正文】

神经元对信息的处理和传播依赖于谷氨酸能这类兴奋性突触传递神经信号,同时也依赖于γ-氨基丁酸(GABA)能这类抑制性突触对信号传导进行时间和空间上的限制。如同油门与刹车的配合决定了车辆能否安全正确地行驶,神经元的兴奋与抑制之间的平衡关系(E/I平衡)是决定神经元及神经网络功能发挥的关键因素。直接操控神经元的E/I平衡可以影响动物的社会行为和感官知觉表现。同时,大量研究发现E/I平衡在各类神经系统疾病中均出现改变,这些改变被认为是导致这些疾病出现认知功能障碍的主要原因,进一步说明了E/I平衡对神经网络及脑功能的重要性。

关于神经元E/I平衡的调控,目前的主流观点认为通过快速的可塑性调节机制,神经元可以保持E/I平衡的稳定,从而保证神经元功能的正常发挥。然而,就像汽车在不同的驾驶场景中,如高速公路vs市内主干道,油门与刹车的使用比例显然不同,大脑在一天中会经历不同的生理状态,其信息处理需求也并不一致。已有不少研究指出兴奋性神经元的兴奋性突触传递会被持续觉醒上调,反之会被睡眠下调。在这种情况,神经元的抑制性突触传递是如何被调控,以及E/I平衡是否仍能维持不变呢?这值得我们去研究探讨。

在这项工作中,通过记录分析mEPSC和mIPSC,研究人员意外发现在初级视皮层(V1)、前额叶皮层以及海马CA1中锥体神经元的兴奋性与抑制性突触强度在24小时的光暗周期内发生反向变化:当兴奋性突触事件的频率在暗周期中升高时,抑制事件的频率降低;反之兴奋性突触在光周期中下调时,抑制性突触则显著增强。E与I的反向变化提示神经元的E/I平衡在昼夜间发生大幅度波动,且很可能是在大脑中普遍存在的生理现象。以V1为主要研究体系,研究人员进一步探究了E/I 平衡周期性振荡的具体方式与机制。通过对小鼠进行温和短暂的睡眠剥夺,研究人员发现光周期中锥体神经元抑制信号的上调依赖于睡眠,这与已知的睡眠对兴奋性突触的调控作用相似。结合药物学方法,进而发现暗周期时大脑中eCB的高表达参与到突触抑制的下调(图1)。值得一提的是,在V1,E/I平衡的变化只发生在反馈环路(L2/3-L2/3),而非前馈回路(L4-L2/3),并且不依赖于前期视觉经验(图2)。

 

【总结】

该工作揭示了E/I平衡的全新的调控方式与可能机制。研究人员认为,昼夜间神经元的E/I平衡存在一个作用缓慢的周期性调控机制,该机制可以大幅度地改变E/I平衡在不同时期的定值(set point)。这与目前已知的依赖于可塑性来快速稳定E/I平衡并不矛盾,因为两者的效应时间维度完全不同。前者需要在昼夜转换后数小时才能实现,而后者则发生在若干分钟甚至更短的时间内。该工作中,研究人员同样发现,E/I平衡在达到新的定值后将在同周期的余下时间内保持稳定,这其中很可能就是采用可塑性的调控机制。

上述工作由中科院上海有机所生物与化学交叉研究中心何凯雯研究员、约翰霍普金斯大学Alfredo Kirkwood研究员为共同通讯作者,约翰霍普金斯大学Michelle C.D. Bridi与中科院上海有机所生物与化学交叉研究中心宗方姣为共同第一作者。经费支持主要来自中科院、国家青年千人计划和国自然青年面上基金

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.11.011

 

 

 

 

 

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