Nat commun丨上下层神经元一起活动，让大脑皮层更强！耶鲁团队揭示皮层发育关键机

同步神经元活动是发育中小鼠初级躯体感觉皮层的一个特征，这种同步活动对于神经回路的形成和功能成熟至关重要。但2/3层活动的来源仍不清楚，究竟是哪些神经元或神经回路驱动了这种强烈的同步活动，仍然是一个未解之谜。

基于此，2025年2月3日美国耶鲁大学医学院精神病学系Alicia Che研究团队在Nature communications杂志发表了“Translaminar synchronous neuronal activity is required for columnar synaptic strengthening in the mouse neocortex”揭示了跨层同步神经元活动是小鼠新皮质柱状突触增强所必需的。

通过采用一种新型微棱镜制备方法并对新生小鼠进行体内双光子成像，作者发现同步神经元活动在各层的桶状柱中有序分布。单突触狂犬病毒示踪和脑片电生理实验表明，在出生后的第一周，2/3层的锥体神经元会接收来自5层的大量输入，而抑制5层的突触输出会导致自发活动显著减少、感觉诱发活动异常以及4层与2/3层之间的连接遭到破坏。研究结果表明，5层与2/3层之间的跨层连接在同步发育中的桶状柱方面发挥着重要作用，以确保4层与2/3层之间连接的增强，从而支持桶状皮层典型皮层结构的形成。

图一 在出生后第 7 天同步神经元活动呈现跨层同步状态

在新生儿期皮层神经元展现出强烈的自发活动，且它们的激活是以同步集群的形式组织起来的。然而，这种集群活动如何在皮层各层之间实现同步仍不明确。为了直接观察各层同时出现的自发活动模式，作者对新生小鼠的微棱镜植入方法进行了改进和优化以用于双光子成像。在成年小鼠中棱镜植入已被广泛应用并得到验证，且距棱镜-脑界面50微米以外的脑损伤极小。为了同时捕捉从第5层（L5）到第1层（L1）的神经元活动，在出生后第6天（P6），将一个1毫米×1毫米的微棱镜植入Emx1Cre:ROSALSL.GCaMP6s（Emx1:GCaMP6s）小鼠体内。短短24小时恢复期后，就可以对稳定的神经元活动进行成像。与成年小鼠的研究类似，恢复期后未观察到形态缺陷、广泛细胞损伤或非典型小胶质细胞激活的迹象。为最大程度避免对任何可能受损的组织进行成像，成像数据采集于距棱镜-脑界面至少200微米处。从P7到P14进行了纵向成像。此外，在第二个出生后周（PNW）末，细胞活动显著去相关，这是发育中桶状皮层的特征。综上所述，这些结果证实微棱镜的植入和存在并未破坏神经元活动或导致发育迟缓。接下来，作者分析了在P7通过微棱镜观察到的各层同步神经元活动（SNA）模式。结果表明，第一个出生后周末的SNA在皮层各层的垂直柱中是同步的。大多数SNA局限于单个柱内，而约20%的SNA涉及多个柱。在这些多柱事件中，大多数在FOV中沿单一方向传播，而较小比例沿两个方向传播。

图二 同步神经元活动在功能性桶状柱中有序分布

为了探究共同激活的柱是否为桶状柱，在出生后第0天（P0）将AAV1.hsyn.GCaMP6s病毒注射到Olig3Cre:ROSALSL.tdTomato（Olig3:Ai9）小鼠体内，在这种小鼠中，丘脑轴突表达的tdTomato会标记桶状结构，然后在P6-9通过植入的棱镜对自发活动进行成像。将钙活动叠加到桶状柱上后发现，自发的柱状活动局限在桶状结构边界内。与整个视野相比，同一桶状柱内相关的ROI对的百分比显著更高。为了进一步证实在Olig3:Ai9小鼠中识别出的桶状结构会在功能上被触须刺激激活，在之前对自发活动进行过成像的相同动物中，于P12-14对其对侧触须施加气吹刺激，不过随着大脑发育，通过棱镜只能持续对L4和L2/3进行成像。发现一部分L4神经元能被触须刺激激活，作出反应的L4神经元比例显著高于L2/3神经元。出生后第一到第二周的早期同步神经元活动与桶状柱相对应。

图三 急性化学遗传抑制L5输出在第1 PNW时减弱SNA

作者通过体内成像、狂犬病毒示踪以及电生理记录实验获得的数据均表明，在出生后第二周和第三周L4的输入建立之前，出生后第一周内，L5会向L2/3的锥体神经元提供大量输入。这些结果表明，L5的突触输入在驱动L2/3的同步神经元活动方面可能发挥着在发育过程中短暂却至关重要的作用。为了在体内直接比较出生后第一周与第二周期间，L5-L2/3输入对SNA的贡献差异，采用了化学遗传学方法来急性降低L5的激活程度。将靶向L5锥体神经元的Rbp4-Cre品系与表达依赖于Cre的Gi DREADD和mCitrine（ROSALSL.hM4Di-mCitrine）的小鼠品系进行杂交，并在出生后第0天注射AAV1-Syn-jRGECO1a。在脑切片实验中，10 μM的CNO激活会使L5锥体神经元产生外向电流，并适度降低其放电频率，但不会完全消除其活动。作者在P6植入颅窗，并于P7-8或P14注射生理盐水或CNO后，对L2/3的SNA进行成像。与注射生理盐水相比，在P7-8时，CNO显著降低了L2/3的SNA频率和幅度。在P14时，CNO对SNA频率没有影响。由于L5神经元还为皮层下区域（包括丘脑网状核，TRN）提供大部分皮层输出，SNA幅度的增加可能反映了这些回路中由于L5输出减少而导致的皮层-丘脑反馈变化。另外，SNA幅度的增加也可能是双突触抑制减弱的结果。

总结

本文围绕小鼠新皮质中跨层同步神经元活动对柱状突触增强的作用展开研究，同步神经元活动是发育中小鼠初级躯体感觉皮层的特征。在发育中的初级体感皮层（S1）中，早期的同步神经元活动是以桶柱形式组织的，并且这种跨层激活主要由第5层锥体神经元驱动。这种短暂的L5到L2/3的连接在协调柱状组织中起着关键作用。这些发现为理解神经发育障碍的回路机制提供了洞见，表明单个细胞类型或连接的改变可能会对发育中的大脑后续回路组装产生长期影响。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55783-w

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