Sci Adv丨精细躯体感觉调控的神经机制

2024年5月9日，西班牙国家研究中心分子和细胞生物学系Marta Nieto团队在Science Advance发表 “Early cortical GABAergic interneurons determine the projection patterns of L4 excitatory neurons”，揭示了早期皮层GABA能中间神经元决定了L4兴奋性神经元的投射模式。

在大脑皮层发育过程中，兴奋性锥体神经元（PNs）在接收来自GABA能抑制性中间神经元（INs）的输入时，建立了特定的投射模式。然而，这些抑制性输入是否能塑造PNs的投射模式尚不清楚。初级躯体感觉（S1）皮层的第4层（L4）PNs都是长程胼胝体投射神经元（CPNs），但大多数在出生后发育过程中通过半球间轴突活动依赖的消除而获得局部连接。作者证明了精确发育调控的抑制是S1L4PNs胼胝体投射回缩的关键。总的来说，作者发现，在发育过程中，时间有序的IN活动是塑造局部同侧S1L4 PNs投射模式的关键，这是精细体感处理所必需的。

图一 地西泮治疗增加了S1L4 CPNs

作者首先在不同的发育时间给动物注射GABAAR变构调节剂地西泮检测改变GABA信号是否会影响CPN的发育。然后，通过将逆行示踪剂CTB注射到胼胝体（corpus callosum，CC）中，来评估GABA对成熟CPN数量的影响。地西泮处理增加了S1L4中CTB+细胞的数量。最早的处理窗口最有效，显示S1L4 CPNs增加了4倍。当地西泮治疗在较晚的时间点开始时，诱导的S1L4 CPNs的数量逐渐减少，直到在P14开始时没有影响。因此，P14标志着S1L4 CPN可塑性的闭合。P2~P5处理导致S1L2/3 CPNs略有下降，而S1L5和S1L6处理中的CPNs始终保持不变。作者还分析了最早和最有效的治疗方法（P2到P5）对次级躯体感觉（S2）和初级视觉皮层（V1）的影响，地西泮处理并没有改变这些地区的CPN比例。在出生后发育的前2周，GABAAR信号的系统激活具有层和区域特异性效应。这种差异的影响可能是由于S1、S2和V1区域成熟的发育时间以及回路的空间和细胞组织的差异。以上结果表明，地西泮诱导的S1L4 CPN在对侧半球形成了成熟的轴突分支。

图二 同侧皮质SST-INs决定了S1L4 PN的典型局部布线

鉴于兴奋性输入在形成S1L4PNs的投射模式中的关键作用，作者接下来探究早期S1L4PNs连接的生理调节因子。GABA能 INs是皮质活动的主要调节因子，它们在出生后的发育过程中与兴奋性PN和IN亚型建立了选择性连接。作者对SST-INs进行基因消融，在这些小鼠中，SST-INs在S1和S2中受到了特异性的影响。消融诱导成熟的S1L4 CPNs数量增加，而其他层的S1 CPNs和S2 CPNs保持不变。为了分析皮层中的局部SST-IN群体是否控制L4 PNs的连接，作者使用病毒注射仅在一个半球消融SST-INs，发现在注射后4天，SST-INs下降了50%。AAV介导的SST-INs局部消融仅增加了转导半球S1L4 CPNs的数量，而对侧不受影响。在注射半球，S1L4 CPN的数量与Sst-Cre;DTA动物相似。因此，局部S1 SST-INs通过在突触前水平起作用，而不是通过改变PNs对侧靶点的活性来调节S1L4PNs的布线。

图三 消除SST- IN后诱导的S1L4半球间轴突和须感觉缺陷的钙瞬态

作者之前在麻醉小鼠中进行的研究表明，来自成年视觉皮层的非典型L4 CPN提供了功能性的大脑半球间连接。作者评估了Sst-Cre；DTA突变体在行为过程中的非典型的S1L4胼胝体轴突的体内活性。将表达GCaMP6f的AAV注射到Sst-Cre;DTA和对照(Sst-Cre)成年小鼠(7 ~ 12周)的右半脑S1L4。两周后，在对侧半球植入光纤，使用光纤记录转导PNs的半球间轴突的活动。在自由移动的动物中记录对侧皮层活动，小鼠执行一个5分钟的物体探索任务。结果显示，Sst-Cre；DTA小鼠的出现频率高于对照组，表明在物体探索过程中，大脑半球间活动增加。两组间的行走距离和物体探索时间相似，说明钙活动的变化不是由于运动或探索的改变。

总的来说，这些结果表明，Sst-Cre；DTA小鼠的S1L4 CPN的半球间轴突在物体探索过程中是活跃的。最后，作者评估了动物用胡须区分纹理的能力测试SST-INs消融和增强S1L4半球间连接对精细感觉处理的影响。动物可以在学习期间探索两个具有相同纹理（砂纸）的物体（面板），只对其中一个对象改变纹理的粗糙度，这个具有新纹理的物体被认为是新的，小鼠会花更多的时间来研究探索它。在学习阶段，对照组和Sst-Cre；AAV-DTA动物对两种相等的物体/纹理没有任何偏好。然后，在测试阶段，对照组动物优先探索新的纹理，与未注射的WT小鼠相比表现相同，从而证明注射不影响胡须介导的辨别。相比之下，Sst-Cre；AAV-DTA动物不能识别新的纹理。因为SST-IN消融只发生在一个半球，S1L4 CPN的半球间活动破坏了纹理识别的结论。作者的研究结果表明，同侧局部SST-INs的消融足以通过过度的S1L4 CPNs对感觉感知的不利影响而损害双侧感觉整合。总之，发现在P1到P7的关键时期，降低S1L4 PNs的兴奋/抑制（E/I）输入平衡可以促进它们作为CPNs的成熟。以上数据表明，桶状皮质的成熟需要对L4过多的对侧输出进行修剪，以精细处理感官信息和行为，如纹理识别。

综上所述，作者在此证明皮质SST- INs决定了S1L4 PNs的典型局部连接。SST- INs作为PV- IN神经支配的“发育制动器”，对于正确消除S1L4 PNs的胼胝体轴突至关重要。这种效应是由同侧局部SST- PV- IN网络在突触前介导的。

文献来源

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj9911

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