科学视点

深圳先进院等在成年动物体感皮层季节可塑性研究中获进展

  中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员Robert Naumann带领团队,整合国际资源,联合来自德国、以色列的科学家,研究了小臭鼩(Etruscan Shrew)脑结构和功能随季节性的变化,解释了冬季动物体感皮层中更多神经元被触觉信号抑制的实验现象,揭示了小臭鼩冬季捕猎时对猎物选择饥不择食的自然现象的神经机制。

  小臭鼩是最小的陆生哺乳动物之一,属于鼩鼱科的一种,体重仅2克,主要分布在欧亚大陆北纬10度到40度的亚热带和温带地区。小臭鼩娇小的体型导致其代谢率极高,却无法储存额外能量。为适应生存环境,小臭鼩演化出日间休眠以及冬季的“戴耐尔”现象(Dehnel's effect)为研究“戴耐尔”现象,研究团队利用核磁共振、在体双光子钙成像、原位杂交等技术,从大体解剖追踪到细胞水平的变化,从行为学追踪到皮层神经元活性的变化,明确了冬夏两季动物皮层神经元构筑的变化。

  研究人员通过核磁共振长期追踪小臭鼩的多个脑结构,发现大脑皮层是缩小显著的结构之一,冬季皮层厚度比夏季缩小约10%。由于小臭鼩视力不发达,捕食主要依赖触觉,通过对触觉高度灵敏的胡须来定位猎物。前期研究还发现小臭鼩是捕猎高手,从碰触猎物到咬死猎物仅需几百毫秒,做到“秒杀”。

  基于上述现象,团队将研究集中在小臭鼩的体感皮层。研究发现,体感皮层的第四层神经元,也就是能量代谢需求旺盛的皮层亚层,其厚度在冬季减少28%其它亚层厚度没有显著变化。在皮层第四层中,存在Parvalbumin阳性中间神经元(PV神经元),这类抑制型神经元主要功能是抑制周边神经元活性。脑片染色显示,冬季动物中PV神经元数目较夏季减少,这为研究工作提供了解剖学上的数据支撑

  神经元对触觉信号的反应可以分为被激活、被抑制或无反应三类。通过在体双光子钙成像实验,研究人员重复拨动小臭鼩的胡须,记录皮层神经元的钙信号,定量神经元对触觉刺激的反应。通过比较秋冬季与春夏季的实验,研究发现,在冬季有更多的神经元被触觉信号激活,与解剖学数据PV神经元在春夏季增多相一致的是,第四层中的神经元被触觉刺激抑制的比例是秋冬季的2.3倍。研究表明,小臭鼩冬季皮层比夏季薄,且抑制性神经元较少,导致其秋冬季体感皮层神经元更容易被触觉刺激激活。

  2012年,研究发现小臭鼩是一个美食家在食物充足的时候,它们偏好捕猎多汁的蟋蟀和蠕虫,而不是有厚重外甲的土元。然而,在食物匮乏的时候,小臭鼩也可以退而求其次,捕猎土元充饥。在冬天食物匮乏的情况下,降低体感皮层检测触觉信号的阈值,可以令小臭鼩不挑食,提升其生存几率。因此,冬季减少皮层体积不仅节约能量消耗,也是一种应对恶劣环境的神经适应机制,该研究为理解神经系统应对生态环境挑战的适应机制,提供了新视角。

  季节性神经系统的变化由于时间跨度长,采样困难、实验周期久,相关研究少见。该研究通过长期追踪单个个体以及跨年度对群体动物进行记录,在细胞水平、生理水平及大体解剖不同层面,揭示了冬夏两季动物皮层的自然变化。这种长时程的神经系统适应性变化,可认为是神经可塑性的一种表现形式。有别于学习记忆这种短时程的变化,季节性的神经可塑性的分子机制有待进一步研究。

  相关研究成果以Seasonal plasticity in the adult somatosensory cortex 为题,以封面文章形式发表在PNASRobert Naumann为论文通讯作者,研究助理李苗为论文第二作者,研究员王虹为论文共同作者。

  论文链接

体感皮层构筑随季节的变化 A.矢状切面显示体感皮层在夏季(橙色)和冬季(蓝色)的层级结构 B.体感皮层冬季比夏季显著变薄  

  子活体钙成像显示,机械刺激小臭鼩的胡须,可以激活体感皮层神经元。B.通过对整个皮层从浅层到深层进行记录,可鉴定出对刺激有响应的神经元。C.通过对一个皮层柱的成像发现,胡须刺激激活的神经元(绿色)在冬季更多,而被胡须刺激抑制的神经元在夏季更多


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