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[结果]北方师范大学舒友生团队在Nature Communications上发表了一篇研究论文,揭示了兴奋性自我突触Autapse作为神经元簇分布的新机制。

时间:2019-03-04 14:43:30 来源:娱乐天地 作者:匿名



大脑皮层由大量各种神经元组成。其中,释放兴奋性神经递质谷氨酸的锥体细胞是皮质的主要神经元,轴突主要投射到其他脑区;抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)被释放。神经元主要是中间神经元,并且发射的轴突仅在其细胞体所在的局部脑区域中形成分支。通过神经元之间的突触连接形成各种功能神经回路,计算功能的实现以及神经回路连接的分析是当今神经科学的热门话题。有一种称为自突触(Autapse或Auto-synapses)的特殊突触结构,它是神经元轴突与其自身树突或细胞体之间的突触连接。由于突触通常在人工培养的神经元上观察到并且具有大量突触,因此它们也被认为是假的或冗余的突触连接模式。

舒友生团队现有的一项研究发现,抑制性自我突触存在于特定类型的中间神经元 - 快速分布的神经元中(Jiang Man et al。,PLoS Biology,2012)。 GABA可以在突触调节中发挥重要作用,调节其自身动作电位的准确性。尽管形态学研究已经发现兴奋性锥体细胞也存在于突触中,但是没有生理学证据表明这些突触结构是否有功能以及它们是否调节神经元信号处理。这些问题尚未得到解决,部分原因是锥体细胞的动作电位(或电流)的持续时间较长,并且突触介导的突触后反应随着时间的推移与动作电位(或电流)一致。因此,不容易检测到来自突触的突触后反应。

为了克服这个问题,舒友生团队使用独特的轴突膜片钳记录技术(Nature,2006)同时记录神经元的细胞体和轴突,并在细胞体末端附近用双光子激光烧伤轴突。破裂,从而阻止电流从轴突运动回到细胞体,但不影响其向轴突尖端的传递,介导突触传递。此时,如果存在自突触,受刺激的轴突可以在细胞体上记录清晰的自突触电流(图1)。使用这种方法,他们发现在小鼠的前额叶皮层中,自发性突触选择性地出现在V层的大锥体细胞中,特别是那些投射到皮质下脑区的锥体细胞具有更多的自身突触(约85%的细胞投射到细胞核和60%的细胞投射到脑桥,有自我突触)。投射到V层中的对侧皮质和II和III层的锥体神经元的神经元具有很少的自突触。在手术切除的成人的额叶组织中,约30%的第V个金字塔细胞具有自突触。这些结果表明,兴奋性突触选择性地存在于特定类型的锥体细胞中,并且是哺乳动物皮质锥体细胞(包括人)的常见结构。图1.轴突激光倦怠表明存在兴奋性突触。

一个(左)实验图; (中)轴突细胞双记录,白色箭头是激光烧伤的位置,白色三角形是自我突触的位置; (右)放大自我突触的观点。 b细胞记录显示在激光烧伤后观察到清晰的自突触电流。

该研究进一步发现突触的突触反应与神经元之间形成的突触非常不同(约为两个相邻锥体细胞之间突触强度的5倍)。令人惊讶的是,突触电流中只有AMPA成分而没有NMDA成分,这表明受体组成与常规突触不同。

那么突触有什么样的生理功能呢?通过导电钳实验发现,观察到自身突触强度的增加和细胞聚集的增加。这证实了突触传递的药物阻断,细胞的簇释放减弱。该研究还发现,只有AMPA组分的自我突触缩短了细胞整合其他突触输入的时间窗口,使细胞成为非常好的重合检测器。

总之,突触具有突触传递功能,其形成是细胞特异性的;来自突触的激活增强神经元反应性,促进簇释放,并促进同时事件的检测。因此,自突触在调节神经元信号处理中起重要作用。这项研究强烈表明,自我突触不是多余的,不是随机的,而是与细胞类型功能相容的重要结构。细胞的聚集分布有利于提高突触传递的保真度和非线性整合,从而有效地将皮质信息传递到皮质下细胞核并增强脑区域的功能连接(图2)。在一些脑部疾病中,脑功能与问题(如自闭症等)有关,而突触的结构和功能变化可能是病理基础。在接下来的研究中,舒友生的实验室将研究自闭症,精神分裂症和其他疾病中突触的结构和功能变化,为揭示这些脑疾病的发病机制提供新的思路。图2.兴奋性自我突触及其功能。仅表达来自突触的谷氨酸的AMPA受体不表达NMDA受体。自我突触促进神经元的聚集并增强大脑的功能连接性。

该研究主要由博士生柯伟,何全生,尹玉平博士和郑宇博士共同完成,两人均为共同作者。本文也是北京师范大学与三博脑科医院合作的成果。它已获得国家自然科学基金和项目的资助(项目编号:31430038,31630029,31661143037,81571275)。