环境与认知经验对成年鸽端脑超纹状体和内侧纹状体神经发生与胶质发生的差异性调控

《Behavioural Brain Research》：Modulation of Adult Neuro- and Gliogenesis in the hyperpallium and mesopallium of pigeons ( Columba livia f.d.)

　　

在鸟类中，成年神经发生（adult neurogenesis）比哺乳动物更为广泛。它已被认为与依赖于海马和鸣唱系统网络的空间认知及行为灵活性有关。然而，其在其他脑区中的意义仍知之甚少。为了检验环境和行为经历是否差异性地影响这些网络之外的神经发生，研究人员在给成年鸽（Columba livia f.d.）注射5-溴脱氧尿苷（5-bromo-deoxyuridine，BrdU）以标记活跃细胞分裂后，使其暴露于不同的饲养条件和空间认知相关实验中。鸽子接受空间定向任务训练（操作箱或归巢），并被永久饲养在室内鸽舍或允许自由飞行。三个月后，收集大脑并进行免疫组织化学处理，以检测中脑新皮质（mesopallium，M）和上脑新皮质（hyperpallium）——这两个区域涉及感觉和联合加工，且成年细胞生成水平异质性高——中的神经发生和胶质发生。研究表明，训练和饲养条件会改变神经发生，并具有特定的区域效应。训练和户外经历具有刺激作用，但并不一致。成年胶质发生呈现出不同的模式，其中最低水平见于未受训练的鸽舍组。不同的实验条件还进一步以前后脑轴的不同方式改变了新生细胞，差异主要出现在后部水平。总体而言，这些发现表明，成年神经发生和胶质发生代表了大脑整合内部状态和外部经历以动态调整其功能组织的一种机制。

研究背景与科学问题

成年神经发生（adult neurogenesis）是指新神经元增殖、分化、迁移并整合到现有神经环路的过程，是神经可塑性、学习记忆乃至脑修复的重要基础。在哺乳动物中，成年神经发生率低且主要局限于海马齿状回颗粒下层和侧脑室室下区等少数神经源性龛位。相比之下，鸟类的成年神经发生在端脑各分区中更为广泛，这使其成为研究神经发生调控机制的理想模型。已有研究表明，成年神经发生在鸣禽的鸣唱控制核团和海马形成中与空间认知和行为灵活性密切相关，但在非鸣叫相关的更广泛的感觉和联合皮层区域（如超纹状体hyperpallium和内侧纹状体mesopallium），环境和认知经验如何差异性调控神经发生和胶质发生（gliogenesis）仍不清楚。此外，类固醇激素、衰老、体力活动、丰富环境、社会经历以及慢性应激等因素均被报道可调节成年神经发生，但这些因素之间的相互作用及其在不同脑区中的特异性效应尚缺乏系统性研究。为此，本研究旨在通过控制饲养条件和空间认知任务，系统探究不同外部经验对鸽（Columba livia f.d.）超纹状体和内侧纹状体亚区中成年神经发生和胶质发生的差异化影响。

研究设计与主要结论

研究人员将49只成年家鸽分为五组：鸽舍对照组（Loft Control group, LCG）、鸽舍+操作箱组（Loft + Box group, LBG）、户外+鸽舍+操作箱组（Outdoor + Loft + Box group, OLBG）、户外+鸽舍+归巢组（Outdoor + Loft + Homing group, OLHG）以及户外+鸽舍组（Outdoor + Loft group, OLG）。所有鸽子在实验开始时连续三天注射BrdU以标记新生细胞，随后各组分别接受相应的饲养和训练干预，10-12周后取脑进行免疫组织化学分析。研究得出以下主要结论：训练和饲养条件能够以区域特异性的方式改变神经发生和胶质发生；户外经历和认知训练总体上具有刺激效应，但并非在所有脑区和细胞类型中一致；成年胶质发生表现出与神经发生不同的模式，鸽舍对照组的新生胶质细胞密度最低；不同实验条件沿前后脑轴（rostrocaudal axis）差异性地改变了新生细胞的分布，差异主要出现在后部水平。这些发现表明，成年神经发生和胶质发生是大脑整合内部状态和外部经历以动态调整其功能组织的关键细胞机制。

关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：（1）BrdU标记法：在实验起始阶段对所有鸽子连续三天腹腔注射BrdU（50 mg/kg），以标记体内处于增殖期的新生细胞；（2）多重荧光免疫组织化学染色：使用抗BrdU抗体结合神经元核抗原（anti-NeuN）和S100钙结合蛋白β（anti-S100β）进行三重标记，以区分新生神经元（BrdU⁺/NeuN⁺）和新生胶质细胞（BrdU⁺/S100β⁺）；另使用双皮质素（doublecortin, DCX）抗体进行单独标记，以识别未成熟神经元并根据形态分为卵圆形（DCXov，较不成熟）和三角形（DCXtri，较成熟）两类；（3）定量图像分析：利用荧光显微扫描系统获取全脑切片图像，依据《鸽脑立体定位图谱》划分脑区并手动计数各标记阳性细胞密度（cells/mm2）；（4）统计学分析：采用Kruskal-Wallis检验及Mann-Whitney U检验比较组间细胞密度差异，并使用线性混合模型（Linear Mixed Models）分析沿前后脑轴的细胞密度梯度变化。

研究结果

3.1 不同鸽群中神经源性细胞活性的区域特异性变化

在所有分析的脑结构中，无论分组如何，均检测到BrdU标记的新生细胞、BrdU⁺/NeuN⁺新生神经元、BrdU⁺/S100β⁺新生胶质细胞以及DCX⁺未成熟神经元（包括卵圆形和三角形两种形态）。尽管不同脑区的绝对细胞密度存在区域性差异，但各实验组的相对排序在超纹状体亚区和内侧纹状体中高度一致。对于BrdU⁺细胞，OLG组在所有四个区域中密度最高，而OLHG组最低。相反，新生神经元的分布呈现相反模式：OLBG组通常密度最高，而OLG组则显著偏低，并在四个区域中均为最低。对于新生胶质细胞，两个户外组（OLG和OLHG）密度最高，而LCG组在所有区域中始终最低。特别值得注意的是，未成熟神经元（DCX⁺细胞）呈现出高度一致的组间模式：LCG组在所有四个区域中DCX⁺细胞密度最高，而LBG组则远低于其他所有组，这一模式同样适用于DCXov和DCXtri亚群。此外，在几乎所有分析区域中，OLG组的BrdU⁺细胞密度显著高于LBG组；而在新生神经元方面，OLBG组在致密部超纹状体（Hyperpallium densocellulare, HD）和内侧纹状体中显示出较高密度，OLG组则最低；在新生胶质细胞方面，LCG组密度最低，且在多数区域与其他组差异显著；在未成熟神经元方面，LCG组显著高于LBG组，而LBG组不仅显著低于LCG组，也显著低于其他几乎所有组。

3.2 沿前后脑轴的细胞密度变化

3.2.1 组间特异性前后脑轴梯度差异

线性混合模型分析显示，BrdU⁺细胞沿前后脑轴的分布在各组间无显著差异。对于新生神经元（BrdU⁺/NeuN⁺），在顶部超纹状体（Hyperpallium apicale, HA）中，OLG组从前向后细胞密度的增加幅度显著小于OLBG组和OLHG组。对于新生胶质细胞（BrdU⁺/S100β⁺），除HD外所有分析区域均表现出显著的前后轴梯度差异，其中OLG组在所有分析区域（除HD外）从前向后的细胞密度增加幅度均大于其他所有组。对于未成熟神经元（DCX⁺），LCG组在所有分析区域中从前向后的细胞密度增加幅度均大于几乎所有其他组，例外情况包括在HA中LCG组的梯度小于OLHG组，以及在间介部超纹状体（Hyperpallium intercalatum, HI）中OLG组的梯度更大。对于DCXov细胞，LCG组再次表现出更陡峭的前后轴梯度；在HA中，LBG组的梯度小于OLHG组；在内侧纹状体中，OLHG组的梯度大于LBG组、OLG组和OLBG组。对于DCXtri细胞，LCG组同样在所有区域中表现出更陡峭的前后轴梯度；在HA中，OLG组的梯度大于OLHG组和LBG组；在内侧纹状体中，OLBG组的梯度大于OLHG组、OLG组和LBG组。

3.2.2 特定层面上的组间细胞密度差异

针对单个层面的事后比较表明，新生神经元（BrdU⁺/NeuN⁺）的组间差异仅限于后部层面（A 9.00和A 7.75）的HA中：在A 9.00层面，OLHG组密度高于OLG组和LCG组；在A 7.75层面，OLG组密度高于除OLHG组外的所有其他组。对于新生胶质细胞（BrdU⁺/S100β⁺），多个区域和层面均检测到显著差异，主要集中在后部层面。对于未成熟神经元（DCX⁺、DCXov、DCXtri），组间差异广泛存在于多个区域和层面，其中LCG组在后部层面的细胞密度普遍高于其他组，而LBG组则普遍最低。

总结与讨论

本研究表明，环境丰富度和认知训练能够以区域特异性和细胞类型特异性的方式调节成年鸽超纹状体和内侧纹状体中的神经发生和胶质发生。具体而言，户外自由飞行和操作箱空间学习任务均能提升某些脑区的新生神经元数量，但效应并不一致，且与单纯户外飞行组相比，同时接受认知训练的户外组在新生神经元密度上更高，提示认知挑战可能具有额外的促进作用。相反，未成熟神经元（DCX⁺）在鸽舍对照组中密度最高，这可能反映了缺乏外部刺激下的代偿性神经前体细胞积累。成年胶质发生呈现出独立于神经发生的调控模式，户外组的新生胶质细胞密度更高，表明胶质发生可能对环境丰富度更为敏感。此外，沿前后脑轴的梯度分析揭示，不同实验条件主要在后方层面诱导了显著的组间差异，提示后部超纹状体和内侧纹状体可能是经验依赖性可塑性的关键区域。研究结论指出：成年神经发生和胶质发生代表了一种细胞机制，大脑通过该机制整合内部状态和外部经历，从而动态调整其功能组织。与其将成年神经发生视为可塑性的简单相关性指标，不如将其概念化为一种进化保守的、类似于发育的程序，该程序持续至成年期以支持持续的适应。从这一视角出发，成年神经发生作为认知灵活性的关键基质，将环境需求与情感、情绪和动机过程联系起来。因此，确定特定经验因素和不同脑区如何参与这一过程，对于推进超越当前文献水平的、更具机制性和功能性分辨率的脑可塑性理解至关重要。