上海交大醫學院吳皓/華雲峰團隊實現耳蝸神經迴路的超微結構解析

2021-01-09 澎湃新聞

原創 Cell Press CellPress細胞科學 

生命科學 Life science

2021年1月5日，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院吳皓教授、華雲峰研究員及德國哥廷根大學Moser教授團隊合作在Cell Press旗下期刊Cell Reports上發表了一項新成果，題為「Electron Microscopic Reconstruction of Neural Circuitry in the Cochlea」，對小鼠耳蝸神經迴路的一系列關鍵超微結構進行了解析。這項研究建立了耳蝸神經迴路成像的新方法，並提出了耳蝸聽神經可以整合多樣的外界聲音信號且受中樞緊密、多樣的調控，而其生理功能、調控機制以及該系統的建立和可塑性變化仍處於未知，為聽覺領域開闢了新的研究方向。

Cell Press細胞出版社特別邀請論文通訊作者之一上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院華雲峰研究員接受採訪，介紹了該研究工作開展的背景、亮點以及下一步的研究計劃。

精準的獲取聲強對於噪音背景下的信號提取（包括言語識別）以及通過雙側耳的聲強差來定位聲源都至關重要。該工作中，研究者通過連續切片掃描電鏡（serial block-face scanning EM）重構了目前最大且具有突觸解析度的小鼠耳蝸神經迴路，並首次對一系列關鍵超微結構進行了量化。

首先，研究對聽神經按照其所接收的聲音信號來源（即毛細胞內的帶狀突觸）進行分類。發現在成年小鼠耳蝸中，一些聽神經可同時接受來自單個毛細胞不同位點或相鄰毛細胞的信號。

而除了接受來自毛細胞的信號，聽神經還受中樞傳出神經的支配，來調控其活動（例如我們可以通過注意力的轉移屏蔽聲音的感知）。研究人員發現中樞對耳蝸聽神經的調控具有強度特異性，可選擇性調控感知不同聲強的聽神經。

另外，研究者還發現了一類新的突觸連接。一般認為來自於內側橄欖核複合體的傳出神經（MOC）特異性支配外毛細胞（負責調節耳蝸聲音放大的增益），而藉助於本次電鏡重構發現：該類神經同時支配耳蝸聽神經，且對編碼低聲強的聽神經具有特異性。結合以上發現，這說明具有不同信號來源的聽神經受到不同強度和組成的中樞支配。

這項研究建立了耳蝸神經迴路成像的新方法，並提出了耳蝸聽神經可以整合多樣的外界聲音信號且受中樞緊密、多樣的調控，而其生理功能、調控機制以及該系統的建立和可塑性變化仍處於未知，為聽覺領域開闢了新的研究方向。

作者專訪

Cell Press細胞出版社特別邀請論文通訊作者吳皓教授及華雲峰研究員進行了專訪，請他為大家進一步詳細解讀。

CellPress：您的團隊是在何種背景下開展該工作？

華雲峰研究員：哺乳動物的耳蝸是其感知外界聲音的關鍵器官。在耳蝸中，毛細胞（inner hair cell）可通過頂部的纖毛響應由聲音造成的振動，並通過細胞底部的帶狀突觸（ribbon）將機械振動轉換成電信號傳遞給聽神經（afferent fiber）沿聽覺通路上行至大腦進行處理。前期研究發現毛細胞與聽神經之間所形成的帶狀突觸在結構與功能上具有極大的多樣性：一般體積較小的帶狀突觸在低聲強時被激活，而體積較大的則僅響應高聲強。這提示毛細胞可能按照這一法則將不同聲響的信號編碼至不同的聽神經，但目前缺少對耳蝸內突觸連接的多樣性以及各類蝸神經的支配方式進行系統和定量的研究。研究者通過連續切片掃描電鏡重構了目前最完整、具有突觸解析度的小鼠耳蝸神經迴路，並首次對一系列關鍵超微結構進行了量化。

CellPress：能否簡述一下該工作的幾個重要發現？

華雲峰研究員：該工作取得了一系列重要的發現，包括：

（1）在形態學上對聽神經進行了分類和量化，並發現除了72%的神經為已報導的單個帶狀突觸來源的聽神經，另有15%連接有複合型的帶狀突觸，更意外的是，13%為分叉的聽神經連接有2個以上的帶狀突觸，可同時接受來自單個毛細胞不同位點或相鄰毛細胞的信號。這一觀察修正了教科書上對耳蝸聽神經只具有單一突觸支配的描述，表明毛細胞與聽神經的突觸連接（聲強的神經編碼方式）可能比我們先前認為的更為多樣和複雜。

（2）同時報導了一類新的耳蝸突觸連接，即來自內側橄欖核複合體的傳出神經對聽神經的支配。先前的研究認為，該類傳出神經特異性支配外毛細胞來調節耳蝸聲音放大的增益，而新發現提示其同時具有直接調控聽神經活動的功能。

（3）研究還首次對聽神經上中樞來源的傳出神經突觸進行了量化，發現其在數量上具有顯著的差異，且隨著聽神經上帶狀突觸增大或數量增加而增加。這一結果說明，中樞對耳蝸聽神經的調控具有強度特異性，可選擇性調控感知不同聲強的聽神經，這可能對背景噪音下聲音信號的提取至關重要。

CellPress：能否闡述一下該研究對於臨床治療聽力障礙等疾病的意義所在？

吳皓教授：聽力障礙隨著社會的工業化及老齡化發病率大幅增長，不僅嚴重地影響到人們的日常社交活動，且有進一步引發心理疾病及大腦退行性疾病的風險，對社會危害大。團隊所繪製的小鼠耳蝸神經迴路的微觀結構圖譜對完善耳蝸聲音編碼的機制以及明確各類聽力障礙相關的耳蝸神經病理性改變有著長遠及重要的推動作用。

CellPress：您的團隊圍繞該研究下一步將主要開展哪些工作？計劃再取得哪些成果？

吳皓教授：我們在這一工作的基礎上，結合疾病動物模型對耳蝸神經迴路的老化過程和損傷修復機制開展進一步的研究。預期研究成果將助力老年性聾、噪音性聾的防治。

作者簡介

吳皓教授，博士生導師，主任醫師。現任上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院院長，上海市耳鼻疾病轉化醫學重點實驗室主任，上海交通大學醫學院耳科學研究所所長，中華醫學會耳鼻咽喉頭頸外科分會主任委員，國家衛生健康委聽力篩查專家組組長。

擔任科技部重點研發項目首席科學家，先後主持衛生部衛生公益性行業科研專項、國家自然科學基金重點項目和上海市重點研究項目等國家及省部級科研項目。曾獲2019年教育部科學技術進步獎一等獎、2018年國家科技進步獎二等獎，2018年上海市科技精英、2014年上海市科技進步獎一等獎、2013年教育部科學技術進步獎一等獎、2010年上海市領軍人才。

主要研究方向：感音神經性耳聾發病機制與臨床轉化研究

華雲峰研究員，博士生導師。於2012年在德國馬普研究所獲神經生物學博士學位。隨後在馬普研究所繼續博士後研究，現為上海交通大學醫學院附屬精準醫學研究院研究員、博士生導師，獲上海市教委青年東方學者稱號。長期致力於突觸信號傳遞機制研究以及神經環路結構解析，取得的創新性研究成果包括：1. 突觸囊泡在高速神經遞質釋放過程中的招募、限速及回收機制；2. 大體積腦組織的三維電鏡樣品製備及神經環路的結構解析。相關工作在Science，Nat. Neurosci.，Neuron，Nat. Commun.，Cell Rep.，等國際學術期刊上發表SCI論文8篇，獲PCT國際發明專利2項。

相關論文信息

論文原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊Cell Reports上，點擊「閱讀原文」查看論文

▌論文標題：

Electron Microscopic Reconstruction of Neural Circuitry in the Cochlea

▌論文網址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)31540-0

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108551

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