Nature | 视皮层神经元方向选择性的空间连接特征

撰文 | 陈文强

责编 | 兮

神经元反应的选择性与兴奋/抑制连接息息相关。此前有多项研究证明，在初级视皮层，皮层2/3层神经元对刺激的方向定位被认为与具有相似选择性的皮层内信息输入有关【1-4】，然而，单个神经元的兴奋性输入可有多个刺激偏好性，其抑制性输入也可多种多样且可不具有选择性。因此，了解视皮层神经元方向选择性(direction selectivity)的空间连接特征具有重要意义。

2020年11月11日，来自英国伦敦大学学院Federio Rossi团队的研究人员在Nature杂志在线发表了题为Spatial connectivity matches direction selectivity in visual cortex的研究论文，使用狂犬病毒示踪、在体钙成像等多重前沿技术，揭示了皮层L2/3层神经元方向选择性背后的精准空间特征，从而帮助我们更好地理解视皮层神经元方向选择性特征的神经环路来源。

首先，为揭示决定单个视皮层L2/3层神经元选择性的环路，研究人员使用皮层兴奋性神经元表达绿色钙指示剂GCaMP6的CaMK2a-GCaMP6转基因小鼠及抑制性神经元表达红色荧光蛋白的GAD2-NLS-mCherry小鼠，并通过电穿孔技术将修饰后的狂犬病毒受体TVA、糖蛋白等表达进入该神经元(图1)。通过记录电穿孔皮层神经元的视觉响应，研究人员选择反应最强的单个神经元，并将其他神经元进行光损毁 (photo ablation)。接下来，研究人员注射修饰后的狂犬病毒，使其仅感染TVA-阳性神经元，并逆行传递至其突触前神经元并表达dsRed。通过这些操作，研究人员进一步使用双光子钙成像来区分突触后神经元、其突触前神经元连接及周围其他神经元群体的反应。

图1. 靶向单神经元电穿孔技术

因为狂犬病毒表达的毒性，研究人员仅能在有效时间窗口(12天)内记录健康神经元的反应。因此，该操作的技术难度较高。研究人员记录了17个突触后神经元，并通过狂犬病毒示踪技术找到了平均约125个与其单突触联系的突触前神经元(图2)，并通过其相应特征(如皮层分布及视觉响应)进行分类，发现对视皮层L2/3椎体神经元提供兴奋性或抑制性输入的突触前神经元具有显著不同的皮层纵向及横向分布特征——兴奋性输入主要在L4层最密集，而抑制性输入主要在L2/3层。这些从完整大脑在体记录得到的连接特征与此前在体外系统里观察到的显著不同【5-7】。

图2. 狂犬病毒示踪技术揭示L2/3层椎体神经元的兴奋性及抑制性突触前输入

随后，研究人员通过Psychophysics Toolbox的视觉刺激任务结合双光子钙成像记录技术，发现突触前的兴奋性输入神经元的空间分布与其突触后神经元的偏好定向同轴，而突触前的抑制性输入神经元偏好于其相近的突触后神经元。因此，研究人员发现，单个突触后神经元的方向选择性与其突触前神经元的选择性无关，而与兴奋性及抑制性突触前神经元的空间位移有关 (图3)。

图3. 空间偏移及延迟兴奋性及抑制性可预测突触后神经元的方向选择性

因此，本文通过选择性标记视皮层L2/3神经元的直接突触前兴奋性及抑制性输入，并通过在体双光子钙成像的记录，揭示了这些兴奋抑制连接增强方向调整并建立方向选择性的机制，这与此前多项研究所揭示的皮层L2/3神经元选择性依赖于兴奋性协调的(co-tuning)模型是截然不同的。这项研究同时也提示进一步需要回答的科学问题，如这些空间联系是否来源于视觉发育，是否被视觉经验修正等等。

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

制版人：嘉

参考文献

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