跳至内容

小鼠站起探索时,小脑攀缘纤维传来什么信号?

Biology · 2022-06-13

Table of contents

No titles in the blog post

Biology · 研究前沿

小鼠站起探索时,小脑攀缘纤维传来什么信号?

研究在自由活动雄鼠中记录小脑蚓部攀缘纤维群体钙信号。踮脚伸展和后肢站立常伴随较强响应,梳理、转身和普通移动则较少出现相同关系。

原论文Figure 3A局部:小脑分子层攀缘纤维的绿色荧光视野

小鼠在开放场中四处走动,忽然抬起前爪、站直身体。这样一个短暂的探索动作,在小脑里留下了什么信号?2022年6月13日发表于 Biology 的研究,把观察点放在攀缘纤维:它们来自下橄榄核,向小脑浦肯野细胞传递输入。团队结合投射追踪与轴突钙记录,在自由活动雄鼠的小脑蚓部IV/V小叶捕捉到与站立探索紧密相伴的群体响应。研究的意义既在于看到动作旁的神经信号,也在于让这一类输入能够在自由行为中持续被观察。

关键发现

IV/V小叶的攀缘纤维钙响应更常伴随踮脚伸展与后肢站立,两种动作的峰值幅度未显著不同。记录在第1、2、5天的幅度和频率比较均未显著变化。

阅读目录 · 6个部分

从接收细胞,转向它们收到的输入

小脑参与动作协调与运动学习,攀缘纤维是其中一条重要输入。过去研究常借助浦肯野细胞的复杂峰,间接了解橄榄—小脑系统。直接观察纤维末梢,则把视角放到输入端,有机会看清信号怎样与自然动作同时变化。

这类信号曾被描述为较简单的全或无“教学”提示,后来研究提出,成串活动和响应幅度可能携带更丰富信息。本次工作并未直接检验学习规则,而是先解决如何在小鼠自由活动时,持续看见这一群输入的变化。

自由活动本身也是研究问题的一部分。站起、保持平衡和改变身体姿势,需要整合运动与前庭相关信息;头部固定时能观察到的动作,并不覆盖这些自然行为。让动物自己选择何时站起,为攀缘纤维研究增加了另一类观察场景。

先确认投射,找到信号所在的位置

双侧追踪显示,下橄榄核输出主要到达对侧小脑,并沿小脑皮层呈现一定分区。受测标记分布中,蚓部IV/V小叶的纤维密度较高,成为后续记录区域。逆向追踪也把这一小叶与相应下橄榄核区域联系起来。

位置选择因而有解剖依据,而不只是把记录点放在小脑表面。攀缘纤维跨越脑区抵达特定小叶,同样来自下橄榄核的输入,也可能因为投射分布不同而对应不同的功能观察。

原论文图 2先确认投射,找到信号所在的位置
先确认投射,找到信号所在的位置
原论文Figure 2:顺向与逆向追踪验证下橄榄核至对侧小脑的投射,IV/V小叶出现较密集标记。
来源:Tang J et al. · Biology · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

分子层里的纤维,与浦肯野细胞区分开

组织共标进一步显示,标记纤维分布在小脑皮层分子层,浦肯野细胞层由另一组标记辨认。研究没有看到浦肯野细胞胞体与纤维示踪信号共同标记,支持观察对象来自上游攀缘纤维。

这一步为后续信号提供了身份背景。群体记录汇集一片范围内的荧光,解释时既要知道纤维来自哪里,也要知道有没有把附近接收细胞的表达混在一起。解剖定位与细胞共标共同帮助收紧了观察范围。

原论文图 3分子层里的纤维,与浦肯野细胞区分开
分子层里的纤维,与浦肯野细胞区分开
原论文Figure 3A:绿色攀缘纤维与红色PCP4相关染色,显示分子层纤维及浦肯野细胞位置;本节展示原图A部分。
来源:Tang J et al. · Biology · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

小鼠自由走动,信号也能跨天追踪

自由活动中,钙指示蛋白组出现较大的荧光瞬变,对照荧光组较弱;同只动物的另一荧光通道,也没有同样幅度的变化。这些比较支持记录包含钙相关活动,而不只是随身体移动产生的共同波动。

四只小鼠第1、2和5天的平均幅度与瞬变频率,均未出现显著差别。记录因而能够跨多个观察日使用,但这并不追踪每根纤维是否保持完全相同;这里稳定的是受测群体信号指标。

原论文图 4小鼠自由走动,信号也能跨天追踪
小鼠自由走动,信号也能跨天追踪
原论文Figure 4:指示蛋白与对照荧光比较,以及跨日记录;幅度与频率的跨日差异未显著。
来源:Tang J et al. · Biology · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

同样动用四肢,站立探索更常伴随响应

研究将开放场动作分为踮脚伸展、后肢站立、梳理、转身和移动。前两类动作开始时,经常出现攀缘纤维钙瞬变;梳理、转身和普通移动与同类瞬变相伴的比例则低得多。并不是每一次四肢活动,都留下相同的群体响应。

踮脚伸展与站立的平均峰值,也高于其他三类动作,两者之间却没有显著幅度差异。结果把受测小叶的活动与探索相关动作联系起来;动作形式、姿势变化和探索情境仍相互交织,尚不能据此辨认一种抽象的“好奇心信号”。

原论文图 5同样动用四肢,站立探索更常伴随响应
同样动用四肢,站立探索更常伴随响应
原论文Figure 5:两类站立探索更常与钙瞬变相伴、峰值较高;两者峰值幅度比较未显著。
来源:Tang J et al. · Biology · CC BY
查看原图与英文图注 ↗

看见输入动态,留下新的功能问题

较强群体荧光可能与更多纤维共同活动有关,但这次记录没有逐一分辨每根纤维,也没有独立测出它们的同步程度。钙瞬变与动作相伴,同样不等于这些纤维已经被证明启动或驱动探索。

研究使用成年雄鼠,行为分析集中在四只小鼠的开放场观察,主要记录IV/V小叶。它提供了一种在自然动作中看输入的能力;不同小叶、学习任务或疾病模型是否呈现同样关系,需要各自的实验回答。

论文信息

Tang J, Xue R, Wang Y, Li M, Jia H, Pakan JMP, Li L, Chen X, Li X.
Optical Fiber-Based Recording of Climbing Fiber Ca2+ Signals in Freely Behaving Mice
Biology · 2022-06-13
DOI: 10.3390/biology11060907