Science新研究繪製出大腦皮層抑制性神經元迴路的發育圖譜

如何構建比目前已知的任何事物都要複雜的神經元網絡？在一項新的研究中，來自德國馬克斯-普朗克大腦研究所的研究人員繪製了抑制性神經元迴路的發育圖譜，並報告發現了獨特的迴路形成原理。他們的發現使得科學家們能夠監測神經元網絡結構隨時間的變化，從而捕捉到個體成長和適應環境的時刻。相關研究結果於2020年12月3日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Postnatal connectomic development of inhibition in mouse barrel cortex」。

圖片來自Frontiers in Synaptic Neuroscience, 2014, doi:10.3389/fnsyn.2014.00023

科學家們正在開始更好地理解我們和動物大腦中發現的神經元網絡的複雜性。但是，如此精確和錯綜複雜的神經元迴路是如何首先建立起來的呢？我們知道神經元是如何誕生的，如何前往灰質中的位置，如何成長和分化。但是，數萬億個突觸---神經元通過這些複雜的接觸點「相互交談」---通常在高度精確的位置展開，形成我們大腦的網絡，它們是如何以及按照什麼規則展開的？
在這項研究中，論文通訊作者、馬克斯-普朗克大腦研究所主任Moritz Helmstaedter及其研究團隊分析了13個來自小鼠皮層的三維數據集，這些小鼠分別處於不同的發育階段：在出生後，與人類嬰兒、兒童、青少年和青年時期相對應的時間點。他們使用稱為「連接組學（connectomics）」的方法，繪製出在大腦皮層灰質中發現的神經元迴路，其中大多數大腦突觸都存在於大腦皮層灰質中。通過著重關注於一類稱為中間神經元（interneuron）的神經細胞的突觸，他們能夠跟蹤這些特定類型的神經細胞選擇突觸搭檔（synaptic partner）的發育過程。眾所周知，中間神經元以高度特定的方式抑制其他神經元的活動。
論文第一作者、馬克斯-普朗克大腦研究所連接組學系博士生Anjali Gour解釋說，「令人驚訝的是，不同類型的中間神經元遵循非常不同的時間過程來建立它們最喜歡的突觸搭檔。一些中間神經元能夠在與嬰兒大腦相對應的首個接受調查的迴路階段就已經以成人般的偏好支配它們的突觸靶標。當皮層灰質中形成第一批化學突觸時，這種情況就立即發生了。其他中間神經元則表現出靶標選擇的顯著改善，這很有可能是通過修剪不正確放置的突觸引起的。」
之前的研究已發現，在大腦的某些部位，發育不僅涉及新突觸的創建，還需要移除突觸。然而，發現突觸移除（或者說修剪）對抑制性迴路的形成具有精確和高度特異的功能是一個重大的驚喜。這些研究人員還發現，一類主要的中間神經元，即所謂的吊燈神經元（Chandelier neuron），被認為只在青春期早期才完全建立起來，它們對其突觸搭檔結構的支配比以前已知的要早得多，也更系統。
儘管對連接組（connectome）的繪製本質上是一種「快照」技術，但是獲得這些新的見解是有可能的：神經元網絡可以在腦組織活檢中測量，但不能在同一塊大腦中隨著時間的推移進一步跟蹤。相反，需要在不同的大腦中進行多次測量。Gour說，「我們仍然能夠從這些數據中提煉出清晰的發育輪廓，這說明了連接組數據中存在的信息密度。」她補充道，「我未曾預料到，我們能夠在還在發育中的大腦中發現如此清晰的迴路模式。」
神經元網絡形成的發育過程及其可能的破壞被認為是一些主要精神疾病的主要原因，一個特別的研究重點已經確定了抑制性迴路對這些功能障礙的貢獻。因此，精確而詳細地了解抑制性迴路是對此類疾病進行針對性分析和開發潛在幹擾措施的前提。Helmstaedter說，「我們希望能夠更精確地繪製皮層迴路中在正常時和受到破壞時的網絡形成圖譜，以便了解精神疾病中可能的改變，並可能識別連接病（connectopathy）的表型。」
這些研究人員在這篇論文中報告的內容相當於「連接組篩選（connectomic screening）」，這是由於最近連接組方法的更高通量得以實現的。「我們預計這種方法能像基因篩選一樣具有廣泛適用性：在一系列正常的和患病的情況下研究神經元網絡的結構，以了解哺乳動物大腦中的變化和共性。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1.Anjali Gour et al. Postnatal connectomic development of inhibition in mouse barrel cortex. Science, 2020, doi:10.1126/science.abb4534.
2.How networks form: Charting the developing brain
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/m-hnf113020.php