上海交大医学院吴皓/华云峰团队实现耳蜗神经回路的超微结构解析

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2021年1月5日，上海交通大学医学院附属第九人民医院吴皓教授、华云峰研究员及德国哥廷根大学Moser教授团队合作在Cell Press旗下期刊Cell Reports上发表了一项新成果，题为“Electron Microscopic Reconstruction of Neural Circuitry in the Cochlea”，对小鼠耳蜗神经回路的一系列关键超微结构进行了解析。这项研究建立了耳蜗神经回路成像的新方法，并提出了耳蜗听神经可以整合多样的外界声音信号且受中枢紧密、多样的调控，而其生理功能、调控机制以及该系统的建立和可塑性变化仍处于未知，为听觉领域开辟了新的研究方向。

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者之一上海交通大学医学院附属第九人民医院华云峰研究员接受采访，介绍了该研究工作开展的背景、亮点以及下一步的研究计划。

精准的获取声强对于噪音背景下的信号提取（包括言语识别）以及通过双侧耳的声强差来定位声源都至关重要。该工作中，研究者通过连续切片扫描电镜（serial block-face scanning EM）重构了目前最大且具有突触分辨率的小鼠耳蜗神经回路，并首次对一系列关键超微结构进行了量化。

首先，研究对听神经按照其所接收的声音信号来源（即毛细胞内的带状突触）进行分类。发现在成年小鼠耳蜗中，一些听神经可同时接受来自单个毛细胞不同位点或相邻毛细胞的信号。

而除了接受来自毛细胞的信号，听神经还受中枢传出神经的支配，来调控其活动（例如我们可以通过注意力的转移屏蔽声音的感知）。研究人员发现中枢对耳蜗听神经的调控具有强度特异性，可选择性调控感知不同声强的听神经。

另外，研究者还发现了一类新的突触连接。一般认为来自于内侧橄榄核复合体的传出神经（MOC）特异性支配外毛细胞（负责调节耳蜗声音放大的增益），而借助于本次电镜重构发现：该类神经同时支配耳蜗听神经，且对编码低声强的听神经具有特异性。结合以上发现，这说明具有不同信号来源的听神经受到不同强度和组成的中枢支配。

这项研究建立了耳蜗神经回路成像的新方法，并提出了耳蜗听神经可以整合多样的外界声音信号且受中枢紧密、多样的调控，而其生理功能、调控机制以及该系统的建立和可塑性变化仍处于未知，为听觉领域开辟了新的研究方向。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者吴皓教授及华云峰研究员进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：您的团队是在何种背景下开展该工作？

华云峰研究员：哺乳动物的耳蜗是其感知外界声音的关键器官。在耳蜗中，毛细胞（inner hair cell）可通过顶部的纤毛响应由声音造成的振动，并通过细胞底部的带状突触（ribbon）将机械振动转换成电信号传递给听神经（afferent fiber）沿听觉通路上行至大脑进行处理。前期研究发现毛细胞与听神经之间所形成的带状突触在结构与功能上具有极大的多样性：一般体积较小的带状突触在低声强时被激活，而体积较大的则仅响应高声强。这提示毛细胞可能按照这一法则将不同声响的信号编码至不同的听神经，但目前缺少对耳蜗内突触连接的多样性以及各类蜗神经的支配方式进行系统和定量的研究。研究者通过连续切片扫描电镜重构了目前最完整、具有突触分辨率的小鼠耳蜗神经回路，并首次对一系列关键超微结构进行了量化。

CellPress：能否简述一下该工作的几个重要发现？

华云峰研究员：该工作取得了一系列重要的发现，包括：

（1）在形态学上对听神经进行了分类和量化，并发现除了72%的神经为已报道的单个带状突触来源的听神经，另有15%连接有复合型的带状突触，更意外的是，13%为分叉的听神经连接有2个以上的带状突触，可同时接受来自单个毛细胞不同位点或相邻毛细胞的信号。这一观察修正了教科书上对耳蜗听神经只具有单一突触支配的描述，表明毛细胞与听神经的突触连接（声强的神经编码方式）可能比我们先前认为的更为多样和复杂。

（2）同时报道了一类新的耳蜗突触连接，即来自内侧橄榄核复合体的传出神经对听神经的支配。先前的研究认为，该类传出神经特异性支配外毛细胞来调节耳蜗声音放大的增益，而新发现提示其同时具有直接调控听神经活动的功能。

（3）研究还首次对听神经上中枢来源的传出神经突触进行了量化，发现其在数量上具有显著的差异，且随着听神经上带状突触增大或数量增加而增加。这一结果说明，中枢对耳蜗听神经的调控具有强度特异性，可选择性调控感知不同声强的听神经，这可能对背景噪音下声音信号的提取至关重要。

CellPress：能否阐述一下该研究对于临床治疗听力障碍等疾病的意义所在？

吴皓教授：听力障碍随着社会的工业化及老龄化发病率大幅增长，不仅严重地影响到人们的日常社交活动，且有进一步引发心理疾病及大脑退行性疾病的风险，对社会危害大。团队所绘制的小鼠耳蜗神经回路的微观结构图谱对完善耳蜗声音编码的机制以及明确各类听力障碍相关的耳蜗神经病理性改变有着长远及重要的推动作用。

CellPress：您的团队围绕该研究下一步将主要开展哪些工作？计划再取得哪些成果？

吴皓教授：我们在这一工作的基础上，结合疾病动物模型对耳蜗神经回路的老化过程和损伤修复机制开展进一步的研究。预期研究成果将助力老年性聋、噪音性聋的防治。

作者简介吴皓教授，博士生导师，主任医师。现任上海交通大学医学院附属第九人民医院院长，上海市耳鼻疾病转化医学重点实验室主任，上海交通大学医学院耳科学研究所所长，中华医学会耳鼻咽喉头颈外科分会主任委员，国家卫生健康委听力筛查专家组组长。

担任科技部重点研发项目首席科学家，先后主持卫生部卫生公益性行业科研专项、国家自然科学基金重点项目和上海市重点研究项目等国家及省部级科研项目。曾获2019年教育部科学技术进步奖一等奖、2018年国家科技进步奖二等奖，2018年上海市科技精英、2014年上海市科技进步奖一等奖、2013年教育部科学技术进步奖一等奖、2010年上海市领军人才。

主要研究方向：感音神经性耳聋发病机制与临床转化研究

华云峰研究员，博士生导师。于2012年在德国马普研究所获神经生物学博士学位。随后在马普研究所继续博士后研究，现为上海交通大学医学院附属精准医学研究院研究员、博士生导师，获上海市教委青年东方学者称号。长期致力于突触信号传递机制研究以及神经环路结构解析，取得的创新性研究成果包括：1. 突触囊泡在高速神经递质释放过程中的招募、限速及回收机制；2. 大体积脑组织的三维电镜样品制备及神经环路的结构解析。相关工作在Science，Nat. Neurosci.，Neuron，Nat. Commun.，Cell Rep.，等国际学术期刊上发表SCI论文8篇，获PCT国际发明专利2项。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports上，点击“阅读原文”查看论文

▌论文标题：

Electron Microscopic Reconstruction of Neural Circuitry in the Cochlea

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)31540-0

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108551

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