观察哺乳动物大脑中的突触修剪

　　

功能正常的神经回路依赖于神经元与相应的突触伙伴之间的精确连接。最初，这些连接是不精确的，神经元与多个不同的潜在伙伴建立联系。这些连接通过一种叫做突触修剪的过程变得更加精确，这种过程消除了不必要的突触。体内成像有助于理解透明斑马鱼和白化非洲爪蛙的神经元活动如何驱动修剪过程。加州大学伯克利分校的，Matsumoto等报道了在哺乳动物大脑中可视化这一过程，特别是在小鼠上丘中，它在视觉信息处理中起着核心作用。

哺乳动物中脑视网膜神经元向上丘的投射形成了一个精确的视网膜定位图，这是一个在发育过程中通过活动独立和依赖机制出现的组织。在成人中，视网膜异位组织确保视野中的相邻点激活视网膜的相邻输出细胞，称为视网膜神经节细胞，这些细胞反过来激活上丘(或其非哺乳动物的对应物，视顶盖)中的相邻细胞。最近的体内实验表明，视网膜神经节细胞支点(突出轴突末端的树形结构)的视网膜定位精度相当高，比上丘神经元本身更精确。最初，视网膜轴突由某些独立于神经元活动的引导信号梯度表达而引导。随后，活动提供线索来完善这些视网膜-上丘连接，以提高精度。活动究竟如何在细胞和亚细胞水平上影响突触修剪和神经回路的完善，仍然是一个悬而未决的问题。

神经生物学的一个经典原则是，感觉体验可以影响神经连接——这一理论被称为赫布定律，以加拿大心理学家唐纳德·赫布的名字命名。1949年，Hebb提出假设:“当A细胞的轴突离B细胞足够近，足以刺激B细胞并反复或持续参与刺激B细胞时，其中一个或两个细胞会发生某种生长过程或代谢变化，从而使A细胞作为刺激B细胞之一的效率提高”。虽然最初的目的是解释大脑中学习的变化，但这一假设已经被发育神经科学家所接受，用来描述通过修剪过程神经元连接的成熟，通常用“一起放电的细胞，连接在一起”来概括。最近，这一假设已经扩展到包括Stentian可塑性，其中异步放电导致突触丢失，这是活动依赖性突触修剪的另一个重要组成部分。

对活动依赖性修剪机制的深入了解来自于对低等脊椎动物模型(如透明斑马鱼和其他动物)视网膜顶投影的体内成像实验     。在这些研究中，单个视网膜神经节细胞被荧光标记随着时间的推移进行跟踪，以评估活动依赖性操作如何影响轴突形态，而轴突形态反过来又受到突触稳定和细化的影响。在斑马鱼中，一个经典的结果表明了活动依赖性竞争的作用:实验中，当相邻的视网膜神经节细胞保持活跃时，沉默单个视网膜神经节细胞导致树突长度减少，而沉默所有视网膜神经节细胞使树突恢复到正常大小。同样，在 非洲爪蟾蜍顶盖体内成像揭示了视网膜神经节细胞的同步激活导致更稳定的轴突分支，而异步激活导致更不稳定和更动态的分支。此外，分支的稳定依赖于谷氨酸受体信号通路N-甲基- d -天冬氨酸(NMDA)受体，表明需要突触前和突触后相关的放电，这与突触稳定的Hebbian和Stentian模型一致。

与青蛙和鱼不同的是，哺乳动物视网膜投射到上丘的许多依赖于活动的精细过程发生在视力出现之前。在这个发育阶段，自发的去极化爆发(称为视网膜波)在视网膜上传播，引起附近细胞的同步激活和远处细胞的异步激活，类似于青蛙和鱼的视觉体验。事实上，视网膜波的破坏已经导致视网膜上丘投影的视网膜定位细化的缺乏。然而，对哺乳动物活动依赖性修剪机制的深入了解是有限的，因为这些发现主要是基于固定组织在不同发育阶段的轴突投影的可视化。

为了应对这一挑战，研究人员开发了一种体内多成像方法，使他们能够在2小时内同时测量清醒新生小鼠上丘的轴突形态和活动。他们优雅的技术结合了单轴突的延时成像和单轴突活动的双色荧光成像以及周围轴突群体或突触后神经元的活动模式。一些作者的发现与Hebbian和Stentian的突触细化模型一致。

研究人员观察到同步活动和树突密度之间有很强的相关性:当视网膜波通过轴突树突的中心传播时，单个视网膜神经节细胞轴突的同步活动比波通过树突的远端传播时更大。轴突分支在这些具有高水平同步活动的中心区域增加，而在具有异步活动的区域优先消除。在单个视网膜神经节细胞轴突中缺乏烟碱乙酰胆碱受体的b2亚基，使视网膜神经节细胞的活动与视网膜波分离，减少了这种对中央区域分支添加的偏见。

Matsumoto同时观察到视网膜神经节细胞树突形态与视网膜波的局部传播模式相关。例如，发育中的大脑中线的轴突沿喙尾轴被拉长，这与视网膜波对该区域的不对称激活有关。使用具有更对称波传播模式的小鼠模型，他们观察到视网膜神经节细胞轴的不对称性相应降低。

荧光谷氨酸传感器揭示了与谷氨酸高释放相关的稳定分支添加区域。在NMDA受体拮抗剂的存在下，这种分支添加的偏倚减少了。这一发现证实了树杈化的过程需要突触前和突触后相互关联的放电。综上所述，这三组结果提供了令人信服的证据，证明自发神经元活动的模式指导了大脑功能回路的精细细化。

识别将相关的突触前和突触后放电转化为突触前轴突重排的信号仍然是一个悬而未决的问题。一种有趣的可能性是调节神经营养因子的释放，如脑源性神经营养因子(BDNF)，这与谷氨酸受体介导的非洲爪蟾蜍顶盖视网膜神经节细胞轴突的细化有关。未来的实验将需要确定使神经元活动对哺乳动物大脑中视网膜神经节细胞轴突生长动力学具有如此强大和精确影响的分子机制。