发育中的新皮质抑制性网络树枝状结构的神经调节控制

编辑 | 萝卜皮

区域间神经元通讯对于指导和调整皮层电路组装至关重要。皮层下神经调节系统将长程轴突投射到皮层并影响皮层处理。然而，它们在皮层布线中的作用和信号机制仍然知之甚少。

马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所的研究人员，探讨了胆碱能系统是否以及如何调节新皮质枝形吊灯细胞（ChCs）的抑制性轴突分支，这些分支通过支配锥体神经元的轴突初始节段来控制尖峰的产生。

研究人员发现乙酰胆碱（ACh）信号通过烟碱型 ACh 受体 (nAChRs) 和下游 T 型电压依赖性钙（Ca2+）通道细胞通过调节丝状伪足的起始自主控制发育中 ChCs 的轴突树枝状结构。该信号轴塑造了丝状伪足起源的静脉曲张中的基础 Ca2+ 水平范围。

此外，ChC 轴突乔木的正常发育需要皮质下胆碱能神经元中适当水平的活动。因此，胆碱能系统调节发育中的新皮质中的抑制性网络树枝状结构，并可能根据早期生活经历调整皮质电路特性。

该研究以「Neuromodulatory control of inhibitory network arborization in the developing postnatal neocortex」为题，于 2022 年 3 月 9 日发布在《Science Advance》。

介绍

皮层的正常运作需要精细的神经回路组装，包括兴奋性锥体神经元 (PN) 和抑制性中间神经元 (IN)。皮质电路发育的一个突出特征是它依赖于早期的产后感觉刺激以及环境/社会事件的经历。各种类型的皮层下投射神经元通过远程轴突将有关经验的信息传递到皮层，并在介导依赖于经验的皮层电路组装中发挥核心作用。

例如，众所周知，谷氨酸能感觉丘脑输入严重影响从细胞到网络水平的广泛皮质连接事件，例如神经发生、脊柱发育、突触发生和树突重组以及功能/解剖神经组件的形成。虽然它们的作用机制不如丘脑输入了解，但主要的神经调节系统包括去甲肾上腺素能、5-羟色胺能、多巴胺能和胆碱能神经元也已知远程影响皮质 PN 形态发生的几个方面，如树突和脊柱发育。然而，对于皮层的神经调节输入是否以及如何调节抑制性 IN 的连接，这些在正常大脑功能和脑疾病的发病机制中起关键作用，我们知之甚少。

皮质 IN 局部支配周围的神经元，并在突触、细胞和网络水平上塑造神经元活动。它们在形态学、生理学和连接性方面不同的不同亚型协同完成这些复杂的任务，同时各自发挥独特的抑制作用。IN 轴突输出的接线发生在出生后的第一个月。无论细胞类型如何，IN 通常都表现出高度分支的轴突，这些轴突被认为有利于有效地建立与突触后神经元的局部密集连接。尽管是建立抑制网络的重要步骤，但在发育过程中轴突树枝状化的机制仍然很大程度上未知。

包括动作电位 (AP) (尖峰) 和阈下去极化在内的神经元活动不仅作为普通的计算信号，而且作为指导/调节信号来协调神经系统的发育和功能。已经表明，几种类型的神经元中的轴突分支经历了细胞自主和非细胞自主的活动依赖性调节。在皮质中，谷氨酸能神经传递通常为神经元提供主要的兴奋性驱动。

此外，来自基底前脑 (BF) 的胆碱能轴突通过离子型烟碱乙酰胆碱（ACh）受体（nAChRs）直接在皮层神经元中引发兴奋性离子电流。BF 神经元早在出生后第一周就向皮层投射大量胆碱能传入神经，并继续增加其数量直到出生后 2 个月。许多跨皮质层的 IN 表达具有不同亚基组成的 nAChR。

在成人皮质中，胆碱能传递激活了几种类型的 INs，这些 INs 支配其他 INs，导致 PNs 的去抑制，从而触发可塑性和学习。此外，在胆碱能传入也存在的成年海马体中，轴突末端的 nAChRs 调节周围 INs 的突触释放，表明它们在 IN 轴突中的局部功能。

值得注意的是，nAChR 介导的 ACh 信号传导可能影响轴突发育：一项使用无脊椎动物神经元的体外研究表明，ACh 通过 nAChR 调节生长锥顶端的丝状伪足的伸长。因此，胆碱能系统可能非常适合研究神经调节在轴突树枝状化中的潜在作用。

理解 IN 接线原理的一个主要障碍是 IN 子类型的复杂性。表现出统一形态特征的真正 IN 亚型的遗传靶向是克服这一限制的关键。

枝形吊灯细胞（ChC）是最独特的皮质 IN 亚型之一：ChC 特异性地支配 PN 的轴突初始段 (AIS)，从而有力地控制它们的尖峰生成。与它们在正常大脑中的重要作用一致，ChCs 与精神分裂症和癫痫等脑部疾病有关。

在内侧前额叶皮质（mPFC）、前运动皮质和扣带回皮质的浅层中，CHC 位于第2/3层（L2/3）的上边缘，并以刻板的形态在很大程度上局限于上L2/3（uL2/3）的轴突树上。它们的轴突和突触组织的均匀性是定量分析的理想选择。

因此，该团队制定了可靠地针对发育中的 ChC 的遗传策略。

研究人员在细胞和分子水平上检查了从 BF 胆碱能轴突释放的 ACh 对 ChC 轴突树枝状化的作用。他们证明轴突丝状伪足可作为活体动物 ChC 轴突分支的前体。

研究人员发现 nAChR-T 型电压依赖性钙（Ca2+）通道（VDCC）信号轴调节丝状伪足的起始和在丝状伪足产生的静脉曲张中的基础 Ca2+ 水平范围。该调节与 AP 生成无关，表明 ACh 信号传导对轴突的直接和局部影响。

该研究进一步表明，nAChRs 和 T 型 VDCCs 对于体内 ChC 轴突乔木的正确发育是必需的。

最后，他们证明 BF 胆碱能神经元根据其活动水平双向控制 ChC 轴突树枝状化的程度。该研究结果确定了皮层下胆碱能神经元在 ChC 轴突树枝状结构中的作用以及出生后皮层网络组装过程中的潜在信号传导机制。

尽管一项测试 BF 胆碱能神经元在皮质发育中作用的病变研究显示 PNs 存在广泛的结构缺陷，包括树突生长不成熟、棘少、躯体较小和异常连接，因为永久性结构消除，目前尚不清楚 BF 轴突终末的 ACh 神经传递是否以及如何调节这些结构的形成。

此外，胆碱能系统在 IN 电路发展中的作用仍然完全未知。研究结果表明，BF 神经元的活动水平被认为是决定 ACh 释放程度的双向控制发育中 ChC 的轴突树枝状化水平。

此外，研究人员提供了体内证据，表明 nAChR-T 型 VDCC 通路细胞自主地塑造 ChC 轴突树枝状结构。研究结果表明，这个信号轴调节丝状伪足的起始，这是乔木化 ChC 轴突的关键事件。该团队在电路、细胞和分子水平上的综合研究，确定了皮层下胆碱能神经元在 IN 布线中的作用以及出生后皮层网络组装过程中的潜在信号传导机制。

体内成像研究表明，丝状伪足是分支的前体结构。还证明了 nAChR-T 型 VDCC 信号，对于丝状伪足的起始和适当的轴突树枝状化水平是必需的。这些发现与 ACh 信号通过控制丝状伪足起始来调节 ChC 轴突树枝状化程度的观点一致。

然而，应该注意的是，其他事件，如丝状伪足/分支的维持也有助于确定轴突分支的水平。当然，不否定 nAChR-T 型 VDCC 信号传导可能在除丝状伪足起始之外的其他方面发挥作用的可能性。

由于 BF 胆碱能轴突和 ACh 受体广泛分布在发育中的出生后皮质中，ACh 如何影响 ChC 轴突树枝化的可能解释之一是，ACh 通过控制周围输入神经元的活动间接、非细胞自主地影响它。然而，从他们的一系列实验中获得的几条证据始终否定这一观点。

首先，AP 的 TTX 阻断对丝状伪足的起始没有影响。其次，TTX 没有阻止尼古丁诱导的轴索静脉曲张中 Ca2+ 水平范围的增加。第三，尽管周围细胞是完整的，但单个 ChC 中的 α4-nAChR LOF 或 Cav3.3 LOF 会导致轴突分支表型。

因此，向 ChCs 和/或 ChCs 中的神经元尖峰的一般突触传递不太可能间接介导 ACh 对轴突树枝状化的影响。鉴于 BF 轴突不可能与 ChC 形成轴突轴突突触，研究人员建议通过体积传输从它们释放的环境 ACh 直接诱导 ChC 轴突中的 ACh 信号传导以诱导丝状伪足。持续的去极化可导致 T 型在其激活后迅速失活。因此，尽管机制尚不清楚，但 ACh 诱导的去极化必须在适当的时间窗口内终止，以恢复和重新激活 T 型 VDCC。

研究结果表明，根据 BF 胆碱能神经元活动的水平，ChC 轴突树枝状化的程度是双向改变的，这表明皮层下胆碱能系统有可能在出生后早期阶段逐步调整 ChCs 的布线。他们的数据显示 ChCs 的轴突树枝状结构对 nAChRs 或 T 型 VDCCs 的杂合缺失敏感，也支持这一观点。

一个有趣的可能性是，出生后早期的环境和行为状态可能会影响 BF 胆碱能神经元的活动水平，从而微妙地塑造 ChCs 中轴突树枝状化的程度。早年经历可以通过这种机制确定 PN 尖峰特性。应该确定哪些环境和行为条件会影响年轻产后动物 BF 胆碱能神经元的活动。胆碱能信号传导和 ChC 布线的紊乱与几种脑部疾病有关，例如精神分裂症、癫痫和注意力缺陷多动障碍。

研究人员发现胆碱能系统调节 ChC 轴突树枝状化提供了这两个缺陷之间的潜在联系。目前尚不清楚胆碱能系统是否普遍影响轴突树枝状结构。

尽管如此，他们的结果提供了一个观点，即胆碱能信号传导的病理状况可导致抑制回路的异常形成。因此，该研究提出了一个新的方向来理解由神经调节缺陷引起的脑疾病的病因。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe7192