Nature | 視皮層神經元方向選擇性的空間連接特徵

撰文 | 陳文強

責編 | 兮

神經元反應的選擇性與興奮/抑制連接息息相關。此前有多項研究證明，在初級視皮層，皮層2/3層神經元對刺激的方向定位被認為與具有相似選擇性的皮層內信息輸入有關【1-4】，然而，單個神經元的興奮性輸入可有多個刺激偏好性，其抑制性輸入也可多種多樣且可不具有選擇性。因此，了解視皮層神經元方向選擇性(direction selectivity)的空間連接特徵具有重要意義。

2020年11月11日，來自英國倫敦大學學院Federio Rossi團隊的研究人員在Nature雜誌在線發表了題為Spatial connectivity matches direction selectivity in visual cortex的研究論文，使用狂犬病毒示蹤、在體鈣成像等多重前沿技術，揭示了皮層L2/3層神經元方向選擇性背後的精準空間特徵，從而幫助我們更好地理解視皮層神經元方向選擇性特徵的神經環路來源。

首先，為揭示決定單個視皮層L2/3層神經元選擇性的環路，研究人員使用皮層興奮性神經元表達綠色鈣指示劑GCaMP6的CaMK2a-GCaMP6轉基因小鼠及抑制性神經元表達紅色螢光蛋白的GAD2-NLS-mCherry小鼠，並通過電穿孔技術將修飾後的狂犬病毒受體TVA、糖蛋白等表達進入該神經元(圖1)。通過記錄電穿孔皮層神經元的視覺響應，研究人員選擇反應最強的單個神經元，並將其他神經元進行光損毀 (photo ablation)。接下來，研究人員注射修飾後的狂犬病毒，使其僅感染TVA-陽性神經元，並逆行傳遞至其突觸前神經元並表達dsRed。通過這些操作，研究人員進一步使用雙光子鈣成像來區分突觸後神經元、其突觸前神經元連接及周圍其他神經元群體的反應。

圖1. 靶向單神經元電穿孔技術

因為狂犬病毒表達的毒性，研究人員僅能在有效時間窗口(12天)內記錄健康神經元的反應。因此，該操作的技術難度較高。研究人員記錄了17個突觸後神經元，並通過狂犬病毒示蹤技術找到了平均約125個與其單突觸聯繫的突觸前神經元(圖2)，並通過其相應特徵(如皮層分布及視覺響應)進行分類，發現對視皮層L2/3椎體神經元提供興奮性或抑制性輸入的突觸前神經元具有顯著不同的皮層縱向及橫向分布特徵——興奮性輸入主要在L4層最密集，而抑制性輸入主要在L2/3層。這些從完整大腦在體記錄得到的連接特徵與此前在體外系統裡觀察到的顯著不同【5-7】。

圖2. 狂犬病毒示蹤技術揭示L2/3層椎體神經元的興奮性及抑制性突觸前輸入

隨後，研究人員通過Psychophysics Toolbox的視覺刺激任務結合雙光子鈣成像記錄技術，發現突觸前的興奮性輸入神經元的空間分布與其突觸後神經元的偏好定向同軸，而突觸前的抑制性輸入神經元偏好於其相近的突觸後神經元。因此，研究人員發現，單個突觸後神經元的方向選擇性與其突觸前神經元的選擇性無關，而與興奮性及抑制性突觸前神經元的空間位移有關 (圖3)。

圖3. 空間偏移及延遲興奮性及抑制性可預測突觸後神經元的方向選擇性

因此，本文通過選擇性標記視皮層L2/3神經元的直接突觸前興奮性及抑制性輸入，並通過在體雙光子鈣成像的記錄，揭示了這些興奮抑制連接增強方向調整並建立方向選擇性的機制，這與此前多項研究所揭示的皮層L2/3神經元選擇性依賴於興奮性協調的(co-tuning)模型是截然不同的。這項研究同時也提示進一步需要回答的科學問題，如這些空間聯繫是否來源於視覺發育，是否被視覺經驗修正等等。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2894-4

參考文獻

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