Neuron | 时松海组发现哺乳类大脑长距离环路连接组织新机制

撰文 | 兮

哺乳类大脑新皮层（neocortex）是脑内最复杂又精密的结构之一，它的神经环路网络参与了几乎所有的高级神经功能，比如感觉信号的接收和处理、语言、思想、推理以及学习记忆等等。早期研究发现，皮层内神经元能够组织形成柱状结构（cortical columns），它是由一群垂直分布并借助突触相互连接在一起的神经元构成的结构和功能单位【1】。近几年一系列研究发现，皮层内由同一个神经元母细胞 (radial glia cell) 产生的一群克隆相关的兴奋性神经元 (clonally related excitatory neurons) 能够形成垂直分布的微小柱状结构（mini-columns），并且神经元彼此之间选择性形成电突触和化学性突触，它们还具有相似的生理功能，提示这一由克隆相关的兴奋性神经元构成的功能性微小环路（functional microcircuits）代表了皮层内的最基本的结构和功能单位【2-6】。尽管近几年有关皮层神经环路网络的研究进展迅猛，但由于概念和技术上的限制，我们不知道分布在皮层不同区域的功能性微小环路能否跨越长距离的空间阻隔连接到一起，介导皮层不同功能区域之间的环路联系。

2019年7月29日，来自纪念斯隆凯特琳癌症中心（MSKCC）发育生物学系的任思强博士等，在华人神经生物学家时松海指导下在Neuron杂志上发表了长文文章Precise Long-Range Microcircuit-to-Microcircuit Communication Connects the Frontal and Sensory Cortices in the Mammalian Brain，报道了前脑皮层和感觉皮层之间存在由微小环路到微小环路的精确性长距离环路投射，这也是首次报道功能性微小环路之间存在长距离环路联系，深入了我们对大脑皮层环路组织形式的认识。

在这篇文章中，作者首先使用载有DsRed、TVA以及rabiesGlycoprotein基因的逆转录病毒（Retrovirus），在小鼠胚胎期E11-13标记兴奋性神经元克隆，然后在小鼠出生后P15-20注射表达EGFP的EnvA-pseudotyped Glycoprotein (G)-deleted Rabies Virus （RVdG-EGFP）这一经过改造的狂犬病毒，示踪投射到单个兴奋性神经元克隆的突触前神经元 （图1）。他们发现，在前脑第二运动皮层区域内（M2），一群投射到初级体感觉皮层（S1）单个起始克隆的突触前神经元相互之间呈垂直分布，构成柱状结构（图2）。

图1：投射到S1单个兴奋性椎体神经元克隆的突触前神经元全脑重构图。

图2：相较于随机模拟组散在分布的神经元（右侧灰色的点），M2内投射到S1单个起始克隆的突触前神经元（左侧绿色的点）呈垂直分布，形成柱状结构。

作者进一步在急性分离大脑切片上进行四通道全细胞电生理记录，发现相对于紧邻的非突触前神经元，这群M2突触前神经元之间存在非常高的突触连接概率，形成了优先性突触连接（preferential connectivity），提示这群突触前神经元组装形成了功能性的微小环路（图3）。这一现象同样存在于前脑前扣带回皮层（anterior cingulate cortex，ACC）和初级视觉皮层（V1）之间的环路联系，说明这一功能性微小环路和微小环路之间的连接是前脑皮层和感觉皮层之间普遍存在的环路投射机制。

图3：M2内投射到S1单个起始克隆的突触前神经元能够形成优先性突触连接，提示它们构成了功能性微小环路。

与之相反的是，分布在对侧体感觉皮层（c-S1）的突触前神经元不能够形成柱状结构和优先性突触连接，提示经胼胝体环路投射的组织机制和同侧前脑与感觉皮层之间的环路投射组织形式存在本质不同。

有趣的是，当使用条件性破伤风毒素轻链（TeLC）基因敲进（knock-in）小鼠特异性阻断起始克隆内神经元之间的突触传递交流以后，前脑突触前神经元之间的优先性突触连接也受到了抑制，说明起始神经元之间的优先性突触联系对突触前神经元优先性突触连接的形成至关重要（图4）。

图4：阻断S1起始克隆内神经元之间的突触传递交流能够抑制M2突触前神经元优先性突触连接的形成

最后，作者采用同样方法示踪了投射到前脑M2区域兴奋性椎体神经元克隆的突触前神经元，发现位于S1内的突触前神经元同样能够形成优先性突触连接，提示了前脑皮层和感觉皮层之间交互性微小环路联系的存在。

综上所述，这一研究首次揭示了哺乳类大脑一种精确的功能性微小环路和微小环路之间的长距离交互性联系，提示了这一环路组织形式有可能介导了皮层不同区域之间的功能交流，是哺乳类大脑一种基本的长距离环路投射组织机制。这一研究为我们更好更深刻地认识大脑环路网络组织机制以及大脑工作原理提供了关键的实验证据。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.06.028

制版人：珂

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