研究揭示了活小鼠皮层中谷氨酸能投射神经元的不同激活模式

大脑皮层是哺乳动物大脑的外层，已知在许多更高层次的过程中起着关键作用，包括语言、记忆和决策。虽然无数研究已经探索了它的结构和功能，但迄今为止，在行为动物中对其神经元动力学及其细胞类型的身份进行成像是非常困难的。

杜克大学医学中心和冷泉港实验室的研究人员最近进行了一项研究，旨在监测和更好地了解行为小鼠大脑皮层中的神经回路动力学。他们的研究结果发表在《自然神经科学》上，表明虽然小鼠从事不同的行为，但大脑皮层中不同的谷氨酸能投射神经元类型表现出不同的激活模式。

“我们研究的主要目的是了解支撑大脑功能的神经回路机制，特别是大脑皮层的功能，”进行这项研究的研究人员之一Josh Huang告诉Medical Xpress。“当我们问这个问题时，明显的下一个问题是我们捕获的细胞类型分辨率是多少，因为细胞是形成连接并具有不同功能的神经回路的基本元素。

到目前为止，许多检查大脑皮层的研究都使用了功能性磁共振成像(fMRI)，这是一种检测和测量与大脑活动相关的血流微小变化的技术。尽管功能磁共振成像在某些环境中具有价值，但它捕获的大脑活动的空间和时间分辨率较差。因此，它不适合深入检查神经回路动力学。

最近，神经科学家开始使用宽场成像来研究大脑中的活动。这是一种有前途的成像方法，它依靠基因编码的传感器来更精确地检测大脑活动的变化。

“虽然宽场成像带来了重大进展，但它通常只能用于成像所有神经群体，”黄解释说。“所以再一次，它不能解决神经元细胞类型的这些基本元素，特别是投射神经元类型。我们研究背后的动机是使用我们最近建立的一套系统的遗传工具来研究大脑皮层，这些工具可以解析具有细胞类型分辨率的不同类别和类型的谷氨酸能投射神经元。

在他们的实验中，Huang及其同事使用一系列遗传和成像技术测量了小鼠大脑皮层中神经元的活动。首先，他们使用基因工程来确保他们可以专门监测不同投射神经元类型的活动。

“我们相对系统地这样做是为了靶向在皮层内，皮层外投射到皮层下目标和丘脑的投射神经元，”黄说。“这里的关键是不仅要看一种细胞类型，还要看多种细胞类型，以一种跨细胞类型筛选的方式。我们将其与宽场成像相结合，不仅要看一个区域，假设该区域是行为中涉及的区域，而是同时观察许多区域。

这项研究的一个关键成就是，该团队能够应用宽场成像技术来研究清醒行为小鼠从事不同活动时的不同投射神经元类型。然而，与以前的研究相比，他们系统地做到了这一点，分辨率更高，使他们能够区分细胞类型功能。

“我们能够实现的，我认为以前没有实现的，是实时观察神经元回路的基本元素，投射神经元类型及其动态以及全球皮层网络中的行为动物，”黄说。“这使我们能够揭示皮质网络动力学的细胞类型基础，增强我们对皮层组织方式的理解。

到目前为止，大脑皮层由具有不同功能的不同区域组成。这些区域被发现具有相似的神经元回路组织，因为它们包括所谓的“规范”皮质微电路，即以类似方式组织的垂直神经元集。过去的研究结果表明，这些回路处理信息并与具有类似回路组织的其他大脑区域进行通信。

“这些跨越不同皮层的神经元列被认为是结构性的，在某些情况下，是功能单位，”黄说。“这种观点基于过去收集的解剖学和功能证据，长期以来一直非常有影响力。令我们惊讶的是，我们在这里发现的是，当你沿着垂直深度观察投影神经元类型时，这些类型的神经元具有相当不同的动态模式。

从本质上讲，Huang及其同事确定了并不总是作为一个单元起作用的投射神经元类型，特别是端脑内(IT)和锥体轨道(PT)群体。

IT神经元投射到大脑皮层内的其他皮层区域。另一方面，PT神经元将信息发送到大脑皮层外的大脑皮层下区域。

“在许多情况下，尽管并非总是如此，但这两种广泛的神经元似乎以不同的空间和时间模式起作用，”黄说。“这些观察结果明显偏离了更传统的柱状神经元组织的历史概念，并表明这些细胞类型也形成了单独的加工和输出网络。

Huang及其同事收集的研究结果显示，IT和PT投射神经元群体有时彼此独立运行，有时作为一个单元一起运行。它们的“操作模式”可能取决于小鼠或其他哺乳动物当时在做什么，以及相关的大脑状态和行为需求。

“通过细胞类型分辨率观察皮质动力学的特定功能将真正使我们能够发现更精细粒度的原理，”Huang解释说。“不同的皮质区域参与行为功能，因为这些细胞类型也有我们现在可以测量的不同输入和输出，我们的技术确实可以帮助我们在更精细的水平上检查神经回路。

目前的研究为控制大脑皮层功能的神经动力学提供了新的见解。在未来，他们使用的这些遗传技术可以被其他团队应用于进一步研究这些动态，从而可能导致令人兴奋的新发现。

“在目前的论文中，我们主要研究了两种广泛的细胞类型，即在皮层内投射的细胞和在皮层外投射的细胞，”黄说。“实际上，由于有不同的细胞类型投射到皮质和皮层下区域的不同子集，因此粒度要高得多。我们现在正在试验其他遗传工具，这些工具将使我们能够看到更精细的分辨率，并希望拼凑出一个皮质网络视图，不仅在广泛的人群中，而且在更精细的人群水平上，包括解剖学连接与功能活动相结合。

在接下来的研究中，研究人员还计划应用宽场成像技术来研究大脑其他区域的神经元回路，包括更多的细胞类型。此外，他们想尝试可以对同一活体动物中的两个细胞群进行成像的方法。

“在我们最近的研究中，我们通过观察一只小鼠中的一个群体，另一只小鼠的另一个群体来推断我们的结论，然后将我们的发现整合在一起，”黄补充道。“在我们的下一个工作中，我们计划使用不同的光谱标记同一动物中的两个细胞群：一个带有绿光，另一个基于红光的钙传感器。这将使我们能够观察两个相互作用的细胞群并同时检查它们，这应该会给我们带来更高的精度和新的见解。