2023年7月7日,浙江大学系统神经与认知科学研究所ToruTakahata团队在《CerebralCortex》期刊在线发表了最新研究成果:Visual experience-dependent development of oculardominance columns in pigmented rats。本研究从新的角度研究了啮齿类动物眼优势柱的发育过程及可塑性,有助于更好地理解皮层柱结构的发育和进化。
原文链接:
https://academic.oup.com/cercor/advance-article/doi/10.1093/cercor/bhad196/7194196
与其他哺乳动物相比,灵长类动物具有分化更良好、功能更高级的大脑皮层。理解大脑皮层发育及进化机制,是一个重要的神经科学问题。皮层柱(Corticalcolumns)可见于许多脑区,是灵长类大脑皮层处理信息的基本功能单位。例如,在初级视皮层(Primaryvisualcortex, V1)中存在眼优势柱(Oculardominancecolumns),不同的眼优势柱分别优先处理来自左眼或右眼的视觉信息。此前的研究普遍认为皮层柱仅存在于灵长类动物等较为高等的动物,而不存在于啮齿类动物的大脑皮层。但近年,Toru教授及其合作者首次证实Long-Evans大鼠具有眼优势柱。在本文中,Toru团队成员对大鼠眼优势柱的特征进行了更深入的研究。
本研究首先通过组织学方法展示大鼠眼优势柱结构。先对大鼠进行单侧眼球摘除,之后用原位杂交法检测其初级视皮层即早基因Egr-1 mRNA的表达模式,以显示眼优势柱结构。Egr-1是一种神经活动依赖性基因,其表达情况即是大脑皮层的神经元活动地图。在单眼摘除后,可以通过区分视皮层中有无Egr-1信号的区域,来明确左/右眼优势神经元的分布。本研究结果显示单眼摘除后,非白化的Long-Evans大鼠和棕色挪威(Brown Norway)大鼠视皮层中,左/右眼优势细胞是彼此分离的,形成眼优势柱结构,而白化的Wistar大鼠视皮层Egr-1的表达信号呈均一分布,说明其左/右眼优势细胞随机分布,不形成眼优势柱结构。以上结果说明眼优势柱可能普遍存在于非白化大鼠品系,非白化大鼠更接近野生型,这提示眼优势柱对于大鼠野外生存可能具有重要作用。而白化大鼠不具有眼优势柱,很可能是由于白化所导致的视觉系统异常。本研究也用相同方法展示了小鼠视皮层结构,发现非白化C57BL/6J小鼠视皮层的左/右眼优势细胞也呈现分离趋势,而白化Balb/c小鼠则没有这种表现(图1)。
图1. 左侧眼球摘除后Long-Evans大鼠(A)、Wistar大鼠(B)、BrownNorway大鼠(C)以及C57BL/6J小鼠(D)的Egr-1mRNA表达情况。虚线示初级视皮层边界。MZ: monocular zone, BZ: binocular zone, LS: lateral segment, ISH: in situ hybridization.
之后,本研究将相同方法应用于不同发育阶段的大鼠,以进一步研究大鼠眼优势柱的发育过程。Egr-1mRNA原位杂交结果表明,在大鼠约2周龄,刚刚睁眼时,其眼优势柱尚未形成。此后,大鼠眼优势柱逐步发育成熟,在35日龄时,其眼优势柱结构已与成年大鼠高度相似。本研究还发现在黑暗中饲育的大鼠无法形成正常的眼优势柱,说明大鼠眼优势柱发育是依赖于视觉经验(Visualexperience)的。若在发育关键期通过单侧眼睑缝合对大鼠进行单眼视觉剥夺,则被缝合眼对应的眼优势柱面积明显缩小,完好眼对应的眼优势柱面积明显增大(图2)。
图2.关键期单眼剥夺对大鼠眼优势柱发育的影响。A: 实验流程示意图;B-E: 被单眼缝合的大鼠视皮层第四层Egr-1 mRNA原位杂交结果,B,C图中大鼠分别在14-35日龄期间被缝合左、右眼,D,E中大鼠分别在在21-35日龄期间被缝合左、右眼;F:正常大鼠与单眼缝合大鼠V1双眼区中响应同侧眼输入的区域面积占比分析。
本研究还向幼年大鼠的眼球注射跨突触示踪剂WGA-HRP,并发现在大鼠睁眼之前,其单眼对应的丘脑-皮层神经末梢便已在同侧视皮层表现出斑块状聚集形式。该结果提示眼优势柱的发育也存在不依赖于视觉经验的机制,某些先天机制初步决定了眼优势柱的形成,而其发育成熟则依赖于出生至35日龄的视觉经验。
本研究阐明眼优势柱的形成和发育是先天因素和视觉经验共同作用的结果,为皮层柱的发育和进化提供了新的见解,并提示大、小鼠可成为未来研究皮层柱发育机制的良好模型。由于针对大鼠、小鼠的基因编辑技术较为发达,今后可善用这些技术,细致地研究眼优势柱发育的分子机制,并阐明眼优势柱的生理意义。
本文的第一作者为浙江大学系统神经与认知科学研究所博士研究生周秋盈,ToruTakahata教授为本文通讯作者,博士研究生李杭齐、姚松坪为共同作者。本研究受到国家自然科学基金、科技部科技创新2030"脑科学与类脑研究"重大项目的资助。
