科研快讯

<正>《自然-神经科学》:催产素调控感觉皮层早期发育研究获进展中科院上海生命科学研究院的科研人员在最新研究中,发现了一种在发育早期感觉经验依赖的感觉皮层跨模态可塑性,并揭示催产素这种由下丘脑分泌的神经肽是介导该跨模态可塑性的关键分子。近日,该研究在线发表于《自然-神经科学》。据介绍,对于新生儿,外界的各种感觉刺激对其大脑发育至关重要,包括颜色和光带来的视觉刺激、父母抚摸给予的触觉刺激、声音引发的听觉刺激等。动物研究实验表明,感觉剥夺不仅会导致对应大脑皮层区域的功能异常,还可跨模态影响其他脑区的功能。在跨模态可塑性的机制方     

自然感觉刺激对脑发育的影响

大脑的正常认知功能依赖于其复杂而精细的神经网络。来自环境的刺激,特别是自然的感觉刺激,对大脑皮层的多个脑区中神经元的生长、突触的形成,以及神经网络的建立至关重要。感觉输入不仅可以影响其对应感觉皮层的功能,而且可以通过跨模态机制影响其他感觉皮层的功能。然而,前人关于跨模态可塑性机制的研究主要集中在成年个体上,基本没有涉及发育早期的机制。为了研究自然感觉刺激对大脑皮层的调节,中科院神经所于翔研究组建立了对新生小鼠进行感觉刺激或剥夺的行为范式,包括通过胡须拔除对小鼠进行特异的触觉剥夺、黑暗环境饲养对小鼠进行特异的视觉剥夺,和丰富环境饲养对小鼠进行多模态的自然感觉刺激。研究发现,从出生起对小鼠进行触觉或视觉剥夺,不仅影响了对应大脑皮层的发育,而且还减缓了其他感觉皮层的发育,而通过丰富环境饲养增加感觉刺激可以促进多个感觉皮层的发育。该研究揭示了一种新型的发育早期感觉经验依赖的感觉皮层跨模态可塑性机制,并发现了催产素这种由下丘脑分泌的神经肽是介导该跨模态可塑性的关键分子。催产素由于其与情绪和社交行为的相关性,已成为孤独症治疗的热点分子之一。该研究提示催产素在发育更早期就对感觉皮层的神经环路形成有重要的促进作用。鉴于孤独症患儿经常伴随有感觉输入的异常,该发现对进一步解析孤独症的致病机制有重要的借鉴意义。     

生后早期听觉剥夺、经验改变大鼠听皮层NMDA受体NR2B蛋白表达

应用蛋白质印迹检测技术,研究早期听觉剥夺、经验对大鼠听皮层NMDA受体NR2B蛋白表达的影响.结果表明,听觉剥夺使生后14天龄组和28天龄组动物听皮层NR2B蛋白表达水平明显下降(P<0.05,P<0.01),听觉剥夺7天后再给予纯音暴露则又使NR2B表达水平明显提高(P<0.05),呈现双向调节趋势.听觉剥夺和纯音暴露对生后42天龄组大鼠听皮层NR2B表达不再产生明显调节作用(P>0.05).结果提示,在大鼠生后发育关键期,听觉剥夺、经验可改变听皮层NMDA受体NR2B蛋白表达水平.研究结果为研究感觉功能发育可塑性的机制提供了重要实验资料.     

赢家通吃:神经环路修剪的竞争机制

人类的大脑约由一千亿个神经元组成,它们通过位于树突棘结构上的突触相互连接,形成庞大的神经网络,主宰着人们的感觉、运动、记忆与情感。这个神经网络并不是一成不变的。发育早期,神经元之间的连接迅速建立;而在个体经由青少年期向成年期转变的过程中,多余的连接经由树突棘的修剪得到清除,神经环路得到优化,从而达到最佳的信息传递与储存效果。树突棘修剪对于大脑的正常功能至关重要,在多种发育性神经系统疾病中均发现了树突棘修剪的异常,但介导该过程的分子机制是基本未知的。中国科学院神经科学研究所于翔研究组的工作发现,发育过程中小鼠感觉皮层的树突棘修剪和被保留树突棘的成熟同时受到感觉经验的双向调控,并协同变化。通过在单个树突棘的水平精细操控细胞黏附水平和神经电活动水平,于翔实验室进一步发现这种协同的成熟/修剪变化是由相邻树突棘间对一类细胞黏附分子——cadherin/catenin复合物——的竞争所介导:竞争到更多此类复合物的树突棘变得稳定、成熟,而失败的一方则被修剪。这一"赢家通吃"的竞争模型为发育过程中神经网络的优化提供了分子机制的解释,拓展了人们对于大脑可塑性的理解,并可能代表了生物系统发育的普遍策略。鉴于树突棘修剪的异常与孤独症、精神分裂症等发育性神经系统疾病密切相关,阐明其分子机制对解析上述疾病的致病机理有重要的理论与临床意义。     

基于表面的形态学分析在音乐家大脑结构磁共振成像中的应用

研究训练导致的脑可塑性变化对于理解人类大脑的功能是极其重要的,而音乐家的大脑是研究此类问题的一个理想模型。文章通过对性别年龄相匹配的16位音乐家和16位非音乐家大脑的结构磁共振成像进行基于皮层表面的脑形态学分析,统计对比了大脑皮层的一阶及二阶形态特征。结果显示:音乐家在枕上回、颞上沟、顶下小叶及中央旁小叶区域具有更大的皮层表面积;在胼胝体附近皮层展示出更高的平均皮层厚度;在枕叶、颞叶、额叶及顶叶中与视觉、躯体运动、情绪、运动控制、听觉及躯体感觉等功能相关的若干脑区,展示出更高的皮层形态复杂度。长期的音乐训练可能会使得音乐家大脑在基本的感知和运动系统,以及情绪相关脑区,具有更显著的皮层形态特征改善。这些结果为我们更好地理解音乐训练相关的大脑结构可塑性增添了新的证据。     

对侧外周神经移位到损伤手臂引起的体感皮层功能动态重组

单侧肢体的外周神经损伤通常导致对侧体感皮层的功能重组. 然而,接受了对侧颈 7 (C7) 外周神经移位手术治疗单侧手臂臂丛全撕脱的病人,在术后早期当其患手被触摸时,只在其健手产生感觉. 在术后晚期,病人才逐渐恢复其患手和健手的正常、独立的功能. 我们在模拟对侧颈 7 (C7) 外周神经移位手术病例的大鼠模型上,用记录体感诱发电位的方法研究了患手和健手的体感代表区. 患手的体感和运动功能由于 C7 神经的再生而逐渐恢复. 术后第 5 个月始, 13 只大鼠患手的体感代表区只出现在其同侧的皮层,同时患手和健手的代表区在该皮层内是高度重叠的 (除掉一个例外),虽然刺激它们产生的体感诱发电位的潜伏期和反应幅度有很大的不同. 结果表明,移位到患手的对侧外周神经能够导致同侧体感皮层动态的功能重组,提示身体另侧感觉输入的介入激发了大脑显著的可塑性.     

大脑皮层内活动依赖的神经环路结构可塑性研究进展

哺乳动物大脑皮层内的神经环路在神经发育、学习记忆、神经和精神疾病过程中表现出令人惊异的结构和功能可塑性。随着新的成像技术及分子生物学方法的应用,在细胞和突触水平上观察活体皮层内神经环路的动态结构变化成为可能,因此近十年来有关活动依赖的神经环路结构可塑性方面的研究进展迅速。该文综述了该方面的部分实验结果,重点阐述个体生长发育、丰富环境、感觉剥夺、病理状态以及学习和记忆等过程和条件下树突的结构可塑性特点,尤其是树突棘的形态和数量变化特征;并简单介绍轴突的结构可塑性,以及结构可塑性相关的分子和细胞机制,最后提出未来该领域内亟待解决的问题。     

哺乳动物大脑感觉皮层对多种感觉信息整合的研究进展

脑对多感觉信息的整合是人和高等动物获取环境中有意义信息的重要方式。长期以来科学界一直认为,脑对不同感觉刺激(包括视觉、听觉、躯体感觉等)信息的分析和加工由不同的感觉皮层介导,最终在联络皮层进行整合,形成综合性的感觉和意识,但最近的一些实验证据显示,以前被认为只负责对单一感觉刺激分析和处理的感觉皮层亦可受其他感觉刺激的影响并直接参与多感觉信息的整合作用,这些新的发现对过去传统的大脑皮层功能分区概念提出了严峻的挑战。就近些年来有关感觉皮层(主要包括听觉、视觉和躯体感觉皮层)对多感觉刺激信息整合的研究进行综述,以增加人们对大脑皮层功能的新认识,为感觉信息处理和编码及感觉信息整合的后续研究提供借鉴。     

表型可塑性变异的生态-发育机制及其进化意义

表型可塑性赋予生物个体在不同环境条件下通过产生不同表型来维持其适合度的能力.研究结果显示多数可塑性变异的产生是基于对环境变异信号的响应、改变基因表达式样并调整发育轨迹的结果,表观遗传调控体系在基因选择性表达和可塑性变异的跨世代传递过程中发挥了重要作用.不同物种和种群对环境变化的敏感性、发生可塑性变异的能力以及可塑性反应模式不尽相同,预示着控制可塑性能力并独立于控制性状的可塑性基凶的存在,这些基因是直接响应环境信号并控制表型表达的调控基因.表型可塑性不仅是物种适应性进化的一个重要方面,也是选择进化的产物,物种的表型可塑性变异对其生态适应和进化模式有深远的影响.     

大鼠视皮层神经元电生理和形态学特性在发育中的变化

为研究大鼠不同发育阶段视皮层神经元电的生理学与形态学特性,实验观察了神经元电生理和形态学特性的变化与年龄的同步化程度,探讨视皮层视觉依赖性突触的形成和重新分布的细胞内机制。应用脑片膜片钳全细胞记录技术和细胞内生物家标记相结合的方法,记录4—28d SD大鼠视皮层神经元的突触后电流(postsynaptic currents,PSCs)。共记录156个大鼠视皮层神经元,睁眼前与睁眼后组中无反应型细胞数量,多突触反应型细胞数量、细胞的输入阻抗有显著性差异。成功标记23例神经元,不同年龄的神经元的形态学成熟度不同。低输入阻抗神经元在形态学上属成熟型,高输入阻抗神经元属幼稚型。该结果表明,大鼠在发育过程中,视皮层神经元功能的成熟表现为在形觉刺激以及局部神经元网络的整合作用下的视觉依赖性突触的形成和重新分布。在视觉发育可塑性关键期内,视皮层神经元形态和电生理特性的变化与年龄的同步化程度大于皮层下结构。     

不同的声音强度对大鼠听皮层神经元特征频率可塑性的影响

目的：探讨声音强度对大鼠听皮层神经元特征频率可塑性的影响。方法：采用常规电生理学细胞外记录技术,测定不同声刺激强度下,听皮层神经元的特征频率和调谐曲线,比较条件刺激前后的变化。结果：在条件刺激声频率和神经元的特征频率相差±1.0kHz范围内,条件刺激诱导的神经元特征频率可塑性与条件刺激强度有关,较高的刺激强度比较低刺激强度诱导的特征频率可塑性概率高;特征频率可塑性的概率与神经元的频率调谐曲线类型相关,但这种相关几乎不受条件刺激声强度影响。结论：条件声刺激强度可明显影响大鼠听皮层神经元特征频率的可塑性。     

不同视觉经验中zif268基因的表达模式

zif268基因编码一转录因子ZIF268. 在发育的视皮层中,zif268基因的表达模式受发育的调节. 在具有正常视觉经验的视皮层中,zif268基因有较高水平的表达. 视觉废置后,视皮层内该基因的表达水平显著降低. 通过视觉刺激可显著增强该基因的表达. 有关zif268基因表达模式的研究对于阐明该基因在哺乳动物视觉系统中的生理功能起到借鉴的作用.     

幼年大鼠皮层听-视多感觉神经元和听-视信息整合

应用常规电生理学细胞外记录技术,研究了生后3周龄幼年大鼠皮层听-视双模态神经元及听-视信息整合特性,并与成年动物进行对照。在听皮层的背侧,听皮层和视皮层的交界处,即颞-顶-枕联合皮层区,共记录到了324个神经元,其中45个为听-视双模态神经元,占13.9%,远低于成年动物双模态神经元所占比例(42.8%)。这些双模态神经元可分为A-V型,v-A型和a-V型3种类型。根据它们对听-视信息的整合效应,可分为增强型、抑制型和调制型。整合效应与给予的声和光组合刺激的时间间隔有关,以获得整合效应的时间间隔范围为整合时间窗,幼年动物的平均整合时间窗为11.9 ms,远小于成年动物的整合时间窗(平均为23.2 ms)。结果提示,与单模态感觉神经元对模态特异性反应特性一样,皮层听-视双模态神经元生后有一个发育、成熟的过程。研究结果为深入研究中枢神经元多感觉整合机制提供了重要实验资料。     

SHH信号通路在海马神经可塑性及相关神经系统疾病中的作用

音猬因子（sonic hedgehog,SHH）是一种分泌蛋白质,可在发育过程中控制神经祖细胞、神经元和神经胶质细胞的形成。研究发现,海马是学习和记忆中至关重要的大脑区域,SHH在海马神经元回路的形成和可塑性中发挥重要作用,可介导海马神经的发生和突触的可塑性调节。海马神经元树突中SHH受体的激活是跨神经元信号通路的组成部分,该信号通路可加速轴突的生长并增强谷氨酸从突触前末端的释放。SHH信号通路转导受损可导致中枢神经系统损伤和相关疾病（如自闭症、抑郁症和神经退行性疾病等）发生。因此,控制SHH信号通路转导,如使用SHH通路抑制剂或激动剂可能有助于相关疾病的治疗。综述了SHH信号通路的海马神经可塑性及其在中枢神经系统发育和相关疾病中的影响,以期为阐明SHH信号转导受损导致的海马神经受损和中枢神经系统相关疾病的机制奠定一定的理论依据。     

Gamma神经振荡产生机制及其功能研究进展

Gamma神经振荡的频率在30～100 Hz之间,存在于动物和人类大脑的多个区域,如丘脑、体感皮层以及海马等部位,在各个尺度水平上都可被检测到.抑制性中间神经元组成的神经网络是产生此高频节律性活动的主要条件之一.皮层的gamma神经振荡与丘脑-皮层系统有关.Gamma神经振荡具有易化突触可塑性和调节神经网络的作用,主要参与感觉特征绑定、选择性注意以及记忆等高级功能.     

明视人听词分类任务时的视皮层激活——跨感觉通道的新证据

近期的脑成像研究在盲人等感官缺陷被试者身上发现了感觉替换现象,即传统上认为仅对单一感觉通道刺激反应的皮层区域也参与其他感觉通道的信息加工．类似的效应在感觉剥夺(蒙住眼睛)的明视人被试中也被观察到,提示脑内可能预存着多感觉交互作用的神经通路．通常认为,上述神经通路在常态的人脑中是以潜伏形式存在的,只有当感觉剥夺时才显露出来或得到加强．但是,感觉剥夺是否是该类神经通路发挥作用的必要条件,已有的研究尚缺乏确切的证据．采用统计力度较强的实验设计,给未蒙眼明视人被试听觉呈现一组名词,要求其对听到的每一个词语做出是人工物体还是自然物体的语义判断．对同步采集的功能磁共振信号进行统计分析,观察到视皮层脑区有显著激活．这些结果表明,跨感觉通道的神经通路在未实施感觉剥夺的条件下依然能够显示出来,因而在常态人脑中也不是完全以潜伏形式存在的．上述研究为建立多感觉交互作用神经机制的具体理论模型提供了一个约束条件．     

甲状腺素抑制斑马鱼早期胚胎黑色素细胞的稳态维持

甲状腺激素对维持机体的发育至关重要。在成年斑马鱼中,过量甲状腺激素可抑制黑色素细胞的增殖,并促进黄色素细胞的发育,但是过量甲状腺激素对斑马鱼早期胚胎色素细胞发育的作用研究的相对较少。该研究分析了甲状腺素在斑马鱼胚胎早期发育时期对黑色素细胞发育的影响,发现甲状腺素处理导致斑马鱼胚胎黑色素沉着异常。通过对不同发育时期胚胎的处理,该研究发现甲状腺素影响了黑色素细胞的稳态维持,但对其早期命运的分化并未有显著影响,这与成鱼有显著区别。实时录像以及组织学实验结果表明甲状腺素处理导致黑色素小体形态异常,并最终导致黑色素细胞的凋亡。与表皮黑色素细胞不同,甲状腺素处理并未影响视网膜色素上皮细胞中黑色素小体的成熟与稳态发育,表明甲状腺素对黑色素细胞稳态维持的抑制具有组织特异性。上述结果将有助于进一步了解甲状腺激素在早期胚胎发育过程中的生理功能,同时为了解斑马鱼独特的体色决定机制提供参考。     

多感觉整合的研究进展

环境中的不同信息通过不同的感觉模态如视觉、听觉、躯体觉的通路传递到动物的大脑皮层,已有研究表明这些传入的相关信息之间存在跨模态的相互整合,这种多感觉整合效应对于动物的感知、学习和记忆都具有非常重要的作用。本文主要对听觉-视觉、听觉-躯体感觉多感觉整合的研究进展进行综述,分析可能的整合机制并对未来的研究方向进行展望。     

离皮层纤维系统的下行调节作用与听觉可塑性

听觉离皮层纤维系统是指由听皮层直接投射到皮层下听觉核团和耳蜗的下行纤维,这些纤维较严格的遵守频率分布的原则,与上行传入纤维构成多重反馈环路。听皮层通过离皮层纤维系统高度聚焦的正反馈作用,易化与其生理特性相匹配的皮层下听觉神经元的电活动,同时通过广泛的侧枝抑制作用来抑制与其生理特性不相匹配的皮层下听觉神经元的电活动,从而调节和改善皮层下听觉信息的处理,参与中枢听觉系统的可塑性变化。离皮层纤维的下行调节作用还广泛存在于视觉和躯体感觉系统,它们可能具有类似的神经机制。     

成体干细胞可塑性的事实、质疑和展望

成体干细胞的可塑性是指存在于成年组织或器官中的不成熟细胞跨胚层分化的一种能力。近年来相关研究很多,有人认为成体干细胞具有可塑性,如造血干细胞可以分化为神经外胚层细胞和内胚层细胞：有人对其持怀疑态度,认为成年造血干细胞发育可塑性证据不足,成体干细胞不能跨胚层分化。由于分离纯化、检测手段等的局限,大多数研究均存在这样或那样的不足和误区,彻底研究清楚还有很长的路要走。