深圳先进院等在成年动物体感皮层季节可塑性研究取得新进展

by 脑编辑中心 | 2020-12-21

  中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所Robert Naumann研究员带领团队，联合来自德国、以色列的科学家，共同跨越四季，深入研究了小臭鼩（Etruscan Shrew）脑结构和功能随季节性的变化。利用核磁共振、在体双光子钙成像、原位杂交等技术，从大体解剖追踪到细胞水平的变化，从行为学追踪到皮层神经元活性的变化，明确了冬夏两季皮层神经元构筑的变化。这些解剖学的变化可以解释冬季动物体感皮层中更多神经元被触觉信号抑制的实验现象，从而揭示小臭鼩冬季捕猎时对猎物选择“饥不择食”的自然现象的神经机制。 

　　小臭鼩（Etruscan Shrew）是最小的陆生哺乳动物，其体重仅仅2克。它们主要分布在欧亚大陆北纬10度到40度的亚热带和温带地区。其娇小的体型，导致其代谢率极高，却无法储存额外的能量。为了适应生存环境，小臭鼩演化出日间休眠（Daily torpor）以及冬季的戴耐尔现象。Saikat Ray和柏林夏里特医学院的同事们通过核磁共振的方法长期追踪了小臭鼩的多个脑结构，发现大脑皮层是缩小最显著的结构：冬季皮层厚度比夏季缩小约10%。

　　小臭鼩视力不发达，捕食主要依赖触觉，通过对触觉高度灵敏的胡须来定位猎物。本文作者之一的柏林洪堡大学教授Michael Brecht，在前期研究中发现小臭鼩是捕猎高手，从碰触猎物到咬死猎物，仅仅需要几百个毫秒，真正的“秒杀”。研究人员将研究集中到小臭鼩的体感皮层。令人惊讶的是，体感皮层的第四层神经元，也就是能量代谢需求最旺盛的皮层亚层，其厚度在冬季的时候减少了28%。 

　　与此同时，其它亚层厚度却没有数目显著变化。在皮层第四层中，存在Parvalbumin阳性中间神经元（PV神经元）。这类抑制型神经元主要功能是抑制周边神经元活性。脑片染色显示，冬季动物中PV神经元数目较夏季减少。通过在体双光子钙成像实验，研究者重复拨动小臭鼩的胡须，记录皮层神经元的钙信号，定量神经元对触觉刺激的反应。 

　　神经元对触觉信号的反应可以分为三类：被激活、被抑制或者无反应。通过比较秋冬季与春夏季的实验，研究者发现在冬季有更多的神经元被触觉信号激活，和解剖学数据PV神经元在春夏季增多相一致的是，第四层中的神经元被触觉刺激抑制的比例是秋冬季的2.3倍。总结上述一系列实验数据，冬季皮层比夏季薄，且抑制性神经元较少，导致秋冬季体感皮层神经元更容易被触觉刺激激活。

  早在2012年，Michael Brecht教授课题组发现小臭鼩是一个不折不扣的“美食家”。在食物充足的时候，它们偏好捕猎多汁的蟋蟀和蠕虫而不是有着厚重外甲的土元。但是在食物匮乏的时候，小臭鼩也可以退而求其次，捕猎土元充饥。在冬天食物匮乏的情况下，降低体感皮层检测触觉信号的阈值，可以令小臭鼩不“挑食”，提升其生存几率。所以冬季减少皮层的体积不仅仅节约能量消耗，也是一种应对恶劣环境的神经适应机制。本研究为理解神经系统应对生态环境挑战的适应机制，提供了新的视角。 

　　2017年的诺奖授予了发现昼夜节律分子机制的三位科学家。对这种周期性神经系统的变化，从昼夜、性周期等等，都已经逐渐被大家熟知和接受。但是季节性神经系统的变化，由于其时间跨度长，采样困难、实验周期久，相关研究并不多见。本研究填补了这方面的空白，通过长期追踪单个个体以及跨年度对群体动物进行记录，在细胞水平、生理水平以及大体解剖不同层面，揭示了冬夏两季动物皮层的自然变化。同时这种长时程的神经系统适应性变化，也可以认为是神经可塑性的一种表现形式。有别于学习记忆这种短时程的变化，季节性的神经可塑性的分子机制还等待着我们揭开它们神秘的面纱。 

　　相关研究以Seasonal plasticity in the adult somatosensory cortex 为题于12月1日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。文章通讯作者为深圳先进院脑所研究员Robert Naumann，第二作者为课题组研究助理李苗。第一作者为目前就职于以色列魏茨曼科学研究所的S.Ray博士。共同作者包括深圳先进院脑所研究员王虹、柏林夏里特医学院的S.P.Koch, S.Mueller, P.Boehm-Sturm以及柏林洪堡大学教授M.Brecht博士。

体感皮层构筑随季节的变化。 

　　A矢状切面显示体感皮层在夏季（橙色）和冬季（蓝色）的层级结构.B 体感皮层冬季比夏季显著变薄 

子活体钙成像显示，机械刺激小臭鼩的胡须，可以激活体感皮层神经元。B通过对整个皮层从浅层到深层进行记录，可以鉴定出对刺激有响应的神经元。C通过对一个皮层柱的成像发现，胡须刺激激活的神经元（绿色）在冬季更多，而被胡须刺激抑制的神经元在夏季更多。