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丘脑的两条支路,为何把发作推向相反方向?

iScience · 2022-04-07

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iScience · 研究前沿

丘脑的两条支路,为何把发作推向相反方向?

同一丘脑区域的钙视网膜蛋白标记细胞,通向外侧杏仁核与未定带的支路呈现相反作用。小鼠研究提示,调控一个脑区的效果,可能取决于信号从哪条出口离开。

AI概念图:一群神经元的分支输出连接两组不同网络,示意投射方向可改变整体效应,不代表实验数据或精确解剖

面对癫痫发作,压低一群活跃神经元的活动,似乎理应减少异常传播。但如果这群细胞同时连着作用相反的支路,整体压低会得到什么结果?2022年4月7日发表于 iScience 的研究,把这个问题放到了丘脑后板内核(PIL)。团队在雄性小鼠海马点燃模型中发现,PIL钙视网膜蛋白(calretinin,CR)标记细胞参与发作发展,而它们通向外侧杏仁核(LA)和未定带(ZI)的两条支路,竟呈现方向相反的影响。一个脑区的“总效果”,由此显露出内部不一致的一面。

关键发现

激活PIL CR细胞加快点燃发展,抑制则减慢。抑制PIL至LA支路同样减慢发展,抑制PIL至ZI支路却加快发展。两类投射细胞部分重叠,说明按下游出口理解回路,比单看脑区总体活动更细致。

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发作扩大时,丘脑这群细胞更活跃

CR是一种钙结合蛋白,在不同脑区可标记性质不同的细胞。团队比较多个区域后发现,点燃模型中CR细胞数量没有显著变化,PIL内带有活动标记c-Fos的CR细胞比例却增加。改变首先体现在活动,而非这群细胞的数量。

实时钙记录进一步显示,局灶发作时信号增加较小,发作泛化时则出现更强响应,峰值靠近泛化发作开始。这使PIL成为一个值得追问的节点:它只是被卷入发作,还是也能影响发作怎样发展?

原论文图 1发作扩大时,丘脑这群细胞更活跃
发作扩大时,丘脑这群细胞更活跃
Figure 1:PIL内CR与c-Fos共标记,以及局灶和泛化发作期间的群体钙信号。局灶期也有较小增加,泛化期响应更强。
来源:Qi Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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增强活动,发作更快走向泛化

直接增强PIL CR细胞活动,点燃过程向较高发作等级推进得更快,到达首次泛化发作所需的刺激次数减少。脑电后放电持续时间也延长,提示影响不仅落在外显行为,也涉及异常电活动的持续。

研究设置了不同光照和仅表达标记物的比较组,以区分细胞激活与光照本身。这样的结果表明,PIL CR群体能够推动所测模型中的发作发展;它并非一个只在发作后被动亮起的标记。

原论文图 2增强活动,发作更快走向泛化
增强活动,发作更快走向泛化
Figure 2:激活PIL CR细胞后,发作等级发展加快、后放电延长,到达首次泛化发作所需次数减少。
来源:Qi Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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压低总体活动,主要拖慢早期发展

反过来抑制PIL CR群体,发作发展减慢,后放电缩短,到达相应发作等级所需次数增加。这一作用在早期阶段更突出,较高阶段的停留次数未见同样清晰的改变。整体群体的干预因此给出了方向,但还没有交代信号从哪里影响海马发作。

这也是下一步拆解投射的原因。一个细胞群的平均作用,可能把多条出口混在一起;如果不同出口并不协同,单看胞体活动就会漏掉一些信息。

原论文图 3压低总体活动,主要拖慢早期发展
压低总体活动,主要拖慢早期发展
Figure 3:抑制PIL CR群体减慢点燃发展并缩短后放电,早期阶段停留次数增加;较高阶段的次数比较未显著改变。
来源:Qi Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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同一出发点,连向多个下游区域

PIL CR细胞中多数带有兴奋性细胞标记,几乎不与所测GABA能标记共定位。它们的轴突到达LA、ZI、听觉皮层和中央杏仁核等区域,LA和ZI尤其引起团队关注:两处既接收明显投射,也在泛化发作后出现活动标记。

这里的CR细胞并非通常想象中的局部抑制性中间神经元。它们能够把信号送到远处,而下游接收的是哪类细胞,将影响这条兴奋性投射最后产生怎样的网络后果。

原论文图 4同一出发点,连向多个下游区域
同一出发点,连向多个下游区域
Figure 4:PIL CR细胞的主要投射及下游区域的c-Fos标记,显示LA、ZI等区域的解剖连接与发作相关活动。
来源:Qi Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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关掉通向杏仁核的支路,发展放慢

抑制PIL CR细胞在LA的投射末梢,发作等级发展减慢,后放电缩短,到达泛化发作所需次数增加。与整体群体的干预相比,分开观察支路,让团队看到了一个明确参与促发作过程的出口。

在已经完成点燃的小鼠中,作用也有自己的侧重:泛化发作持续时间缩短、开始时间推迟,但发作等级和后放电总时长没有显著变化。同一条投射,在发展过程与既成点燃状态下影响的指标并不完全相同。

原论文图 5关掉通向杏仁核的支路,发展放慢
关掉通向杏仁核的支路,发展放慢
Figure 5:抑制PIL至LA末梢对点燃发展、后放电和到达各等级次数的影响;完成点燃后的指标比较见补充Figure S3。
来源:Qi Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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关掉另一条支路,结果却反过来

把相同思路转向ZI,结果出现反转。抑制PIL至ZI末梢后,点燃发展加快,后放电延长,首次泛化发作更早到来。这提示该支路在所测网络中具有牵制作用,压低它反而移除了部分限制。

完成点燃后的测试中,泛化发作持续时间增加,但发作等级、后放电总时长和泛化潜伏期均未显著改变。两条支路的差别,既体现在发展方向,也体现在既成发作的持续时间。

原论文图 6关掉另一条支路,结果却反过来
关掉另一条支路,结果却反过来
Figure 6:抑制PIL至ZI末梢加快点燃发展并延长后放电;完成点燃后的持续时间及其他指标见补充Figure S4。
来源:Qi Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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两条出口,还共享一部分出发细胞

双向标记追踪发现,投向LA和ZI的CR细胞部分重叠,提示有些细胞可能通过侧支连接两处。投射并非完全独立的两群,但目前也还没有逐细胞证明,同一个细胞的两条分支怎样分别改变发作。

这项成年雄鼠点燃模型研究,把“调控哪个脑区”推进到“保留或压低哪条输出”。不同位置的对照组本身也存在发作易感性差异,光照与局部植入影响可能参与其中;两条支路作用大小的比较仍需结合这一背景。下游细胞如何完成相反调节,以及这种组织方式是否适用于自发慢性发作,仍是待解的问题。

原论文图 7两条出口,还共享一部分出发细胞
两条出口,还共享一部分出发细胞
Figure 7:LA与ZI投射定义的PIL CR细胞部分重叠。该解剖结果来自两只小鼠,支持侧支连接,未直接检验单个双投射细胞的相反功能。
来源:Qi Y et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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论文信息

Qi Y, Cheng H, Lou Q, Wang X, Lai N, Gao C, Wu S, Xu C, Ruan Y, Chen Z, Wang Y.
Paradoxical effects of posterior intralaminar thalamic calretinin neurons on hippocampal seizure via distinct downstream circuits
iScience · 2022-04-07
DOI: 10.1016/j.isci.2022.104218