丘脑皮质轴突在大脑皮质发育中的作用

《Annual Review of Neuroscience》：Roles of Thalamocortical Axons in Cerebral Cortical Development

　　

在成年哺乳动物大脑中，丘脑皮质输入通过传递来自皮层下感觉和运动中枢的上行信息并连接不同皮质区域，支持关键皮质功能。20世纪80年代的研究揭示，这些传入投射对构建成熟新皮质（neocortex）也至关重要，新皮质由六层和数十个解剖与功能上不同的区域组成。近期研究已开始提供皮质发育的全面视图，涵盖未成熟皮质组织的早期区域化（regionalization）、各种祖细胞类型的不同行为、形成六层的神经元命运特化（fate specification），以及每种神经元类型导致不同区域形成的形态与功能成熟。现在已知这些过程中的许多受丘脑皮质输入影响。本综述突出揭示了丘脑作用被发现的历史背景，依据来自广泛生物体、皮质区域和细胞类型的证据。

**丘脑皮质轴突在大脑皮质发育中的作用：研究综述与解读**

**研究背景与问题**
哺乳动物大脑皮质的发育是一个高度复杂的过程，涉及神经祖细胞增殖、神经元迁移、层状结构形成以及功能特化区域的建立。成年新皮质（neocortex）由六层和数十个解剖与功能上不同的区域组成，每个区域具有独特的连接和细胞构筑（cytoarchitecture）。丘脑皮质轴突（thalamocortical axons, TCAs）作为来自丘脑核团的长距离传入投射，在成年大脑中传递感觉和运动信息并连接不同皮质区域。然而，早在20世纪80年代，研究就发现TCAs在皮质发育中也扮演关键角色，尤其是在区域特异性细胞构筑的形成中。例如，初级躯体感觉皮质（S1）中的桶状结构（barrel field）的形成依赖于来自丘脑腹后内侧核（ventral posterior medial nucleus, VPM）的TCAs输入。尽管早期研究揭示了TCAs在感觉皮质区域化（arealization）中的必要性，但具体的细胞和分子机制仍不明确。此外，皮质发育存在内在的分子模式化（intrinsic molecular patterning），如早期皮质神经上皮中Emx2和Pax6等基因的梯度表达，这些内在机制与TCAs提供的外源性输入如何相互作用，进而塑造皮质区域边界和神经元身份，是领域内的核心问题。为此，研究人员综述了从经典实验到现代单细胞组学的研究，旨在整合过去和当前的发现，提出关于丘脑皮质相互作用在皮质发育中作用的统一假说。该论文发表在《Annual Review of Neuroscience》。

**主要关键技术方法**
研究人员综合运用了多种实验模型与技术，包括：小鼠（Mus musculus）和雪貂（Mustela putorius furo）的遗传操控（如条件性基因敲除Gbx2、Ascl1、Vgf等）、在体电穿孔（in utero electroporation）改变FGF8表达、胎儿猕猴（Macaca mulatta）眼摘除手术、雪貂视觉剥夺模型、以及产后丘脑核团消融（如白喉毒素介导的VP核消融）。关键分析技术包括：单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组学（spatial transcriptomics）、组织学染色（如Nissl染色、原位杂交、免疫组化）、以及电生理记录。样本队列主要来源于小鼠、雪貂、猕猴和人类胎儿皮质组织（来自公开数据库如Allen Developing Mouse Brain Atlas）。

**研究结果**

**1. 区域特异性细胞构筑的形成依赖于丘脑皮质输入**
早期研究通过物理去除新生大鼠丘脑或遗传消融小鼠VPM核，证明了TCAs对S1桶状结构形成的必要性。在产后小鼠中，删除突触囊泡融合蛋白RIM1/RIM2或谷氨酸转运体vGluT1/vGluT2，改变了L4神经元的形态和基因表达。NMDA受体和代谢型谷氨酸受体5（mGluR5）在L4神经元中为桶状形成所必需，表明谷氨酸介导的TCA突触活性驱动L4神经元的结构和功能成熟。在猕猴初级视觉皮质（V1）中，胎儿期眼摘除（在L4神经发生完成后）阻止了V1特异性细胞构筑的形成，使V1缩小70%以上而V2相应扩张。移植实验表明，将大鼠胚胎V1组织移植到新生大鼠S1区域，移植物会发育出桶状结构，说明S1的桶状形成并非固有，而是由VPM核的TCA模式诱导。相反，边缘皮质组织移植后仍保持边缘特性，表明皮质可塑性可能局限于新皮质。这些发现支持原皮质假说（protocortex hypothesis），即新皮质最初是均一的，区域特异性特征仅由TCA输入指导。

**2. 早期皮质的内在分子模式化**
早期胚胎小鼠皮质神经上皮中，Emx2和Pax6等基因呈梯度表达，且这种表达在缺乏TCA投射的Gbx2和Ascl1敲除小鼠中仍保持（E18.5-P0），表明早期分子区域化独立于丘脑输入。Emx2和Pax6敲除小鼠则改变神经上皮内的基因调控网络和TCA地形图。此外，皮质周围模式化中心如前神经嵴（anterior neural ridge）分泌FGF8，其异位表达会改变Emx2表达并扩张吻侧皮质区域；皮质边缘区（cortical hem）分泌WNT和BMP，其消融导致海马缺失和尾内侧皮质缩小。这些模式化信号在神经上皮中建立梯度，并传递至皮层板，维持原地图假说（protomap hypothesis）。

**3. TCAs如何促成区域边界的形成**
丘脑特异性Gbx2缺失小鼠存活至产后，缺乏桶状结构，且RORb、Lmo4、Cdh8、Id2等区域标记基因的表达边界模糊，表明TCAs调制了皮质内在机制，参与建立区域边界。通过增强或减弱胚胎丘脑中SHH信号，可改变第一级（FO）和高阶（HO）感觉核团的大小，进而导致初级和次级感觉皮质区域的相应大小变化。产后消融VP核导致S1中L4神经元在转录组和功能上表现为初级和次级躯体感觉皮质之间的中间状态。眼摘除小鼠的V1转录组特征向高阶视觉区域转变，重现了经典猕猴实验中晚期眼摘除产生的混合皮质区域。这些研究揭示了TCAs在精炼皮质区域身份和建立功能边界中的关键作用。

**4. 早期皮质内在区域化在TCA地形投射中的作用**
皮质内表达的Ephrin-A分子梯度调节TCA在S1和V1的投射。Emx2敲除小鼠中TCA地形图移位，表明神经上皮内在模式化参与引导。FGF8在早期皮质祖细胞中的异位表达改变了亚板（subplate）和L6中Ephrin-A5的表达，并在P5改变TCA支配模式。若FGF8异位发生在亚板神经发生之后，则TCA生长在皮层板中移位但亚板中不变，提示早期区域化通过亚板介导的机制影响TCA地形图。Coup-TF1（NR2F1）在皮质壁中呈尾侧-吻侧梯度表达，其在有丝分裂后神经元中的缺失导致TCA投射和皮质区域定位均发生移位，进一步支持内在模式化引导TCA的区域特异性效应。

**5. TCAs对早期新皮质发育的细胞机制**
- **皮质兴奋性神经元发育的细胞过程**：小鼠新皮质神经发生遵循由内向外模式，亚板神经元最早出生，随后是L6、L5、L4、L2/3。胚胎期新生神经元表现出瞬态基因表达谱，产后才获得最终层状、区域和连接模式。
- **人类胎儿皮质转录组图谱**：结合scRNA-seq和空间转录组学的研究揭示了人类皮质发育中单个细胞的基因表达动态。在妊娠周（GW）15，L4-6开始出现分子分离；GW20时，V1和V2之间在L3-5和亚板中已出现尖锐的基因表达边界，早于形态学边界。人类TCAs在GW11左右到达皮质，与深层神经发生时间吻合，提示它们可能影响祖细胞行为和神经元产生。
- **小鼠和雪貂中TCAs对早期皮质兴奋性神经元发育的作用**：在小鼠中，TCAs于E14.5到达未来S1的亚板，与L4神经发生高峰期一致。丘脑特异性Gbx2突变小鼠中，S1和V1的L4和L2/3神经元数量减少，而M1和PFC无变化，且未观察到细胞死亡增加，提示神经元减少源于产生和/或特化受损。在雪貂视觉皮质中，P1眼摘除导致外室下区（OSVZ）祖细胞特异性减少，支持TCAs在浅层神经发生中影响祖细胞行为。Gbx2突变小鼠中E14.5出生的细胞中L4与L2/3的比例下降，表明TCAs可能影响迁移中神经元的命运特化。
- **TCAs影响新皮质兴奋性神经元类型的进一步分子成熟**：小鼠视觉皮质中L5和L6兴奋性神经元的主要亚型早在P8就已建立，且在视觉剥夺后不变；而L2/3和L4的亚型在睁眼后继续变化，黑暗饲养改变其转录组谱，表明视觉经验通过TCAs在产后皮质中塑造细胞类型身份。
- **TCAs对GABA能神经元发育的调控**：Gbx2敲除小鼠中，MGE来源的中间神经元在S1、V1和M1中径向分布改变，向深层移位。在产后早期，TCAs与S1中生长抑素（SST）神经元形成瞬态突触，这些瞬态连接对后续与L4兴奋性神经元和PV阳性抑制性神经元的突触形成和成熟至关重要。

**6. TCAs的共享与核团特异性影响：是否超越初级感觉皮质？**
- **区域特异性作用的细胞与分子原理**：丘脑特异性Gbx2突变小鼠中，M1和PFC的祖细胞数量或ROR阳性神经元无显著变化，可能与TCA到达时间较晚（E16.5）及神经发生梯度差异有关。每个皮质区域接收来自不同丘脑核团的输入，这些核团具有独特的分子特性。感觉FO和HO核团在E14-E16开始表现出不同的基因表达谱，因此它们可能提供共享信号（如谷氨酸）和随后独特的分子信号，以生成初级与高阶感觉皮质之间的区域边界。非感觉核团则产生于丘脑的吻内侧和尾背侧部分，在E18.5显示不同表达谱。
- **跨皮质的中间神经元迁移共享作用**：缺乏TCAs时，MGE来源中间神经元的径向迁移紊乱不仅在感觉皮质，也在运动皮质和PFC中观察到，且与vGluT2缺失和NMDA受体亚基NR2B下调相关，表明谷氨酸和NMDA受体可能介导TCAs在调节抑制性神经元定位中的共享作用。
- **感觉系统特异性作用**：感觉FO和HO核团在E14.5即表现出自发同步钙波（丘脑波）。阻断听觉丘脑核团MGv的钙波导致初级听觉面积减小，而VPM核钙波增强则扩大S1桶状区，与RORβ上调相关。所有感觉丘脑核团在E14.5以SOX2依赖性方式共享Vgf表达，Vgf编码前体蛋白裂解产生多种神经肽。丘脑特异性Vgf缺失导致L4神经元减少，且L4/L2/3比例下降，与Gbx2突变体类似，表明TCAs通过VGF肽至少部分控制浅层神经元层状命运，但不影响祖细胞增殖。
- **产后前额叶皮质中TCAs对维甲酸信号的控制**：在Gbx2突变小鼠中，缺乏TCAs导致PFC的L6中Cyp26b1表达降低，而Cyp26b1编码使维甲酸（RA）失活的细胞色素P450。RA信号在PFC中动态调节，TCAs通过促进Cyp26b1表达限制RA信号，直到青春期早期下调。RA信号影响PFC中PV中间神经元的成熟，TCAs可能通过控制RA水平调节抑制性回路成熟的速度。

**总结与讨论**
TCAs在皮质发育中的作用多样，涉及神经发生、神经元命运特化、层状组织、区域边界形成以及抑制性神经元定位等多个事件。内在分子模式化（如Emx2、Pax6梯度）为皮质提供初始区域身份，而TCAs随后通过共享信号（如谷氨酸、VGF）和核团特异性信号（如不同丘脑核团的分子特征）精炼和巩固这些身份。TCA到达时间与皮质区域发育状态的相对时机决定了其影响的可塑性窗口。未来研究需整合单细胞和空间解剖学方法，以阐明TCAs与发育中皮质细胞相互作用的分子机制，并利用人类皮质类器官和丘脑皮质组装体（thalamocortical assembloids）探索这些相互作用在人类神经发育障碍中的长期后果。

**研究结论翻译**
TCAs在皮质发育中的作用是多样的，现在已知导致层和区域形成的多个事件受TCAs调控。然而，这些相互作用背后的分子机制才刚刚开始被揭示。小鼠仍然是直接操控TCAs特定方面并分析对皮质发育影响的最易获取模型系统。尽管单细胞方法极大地扩展了我们对发育中大脑中单个细胞的理解，但层和区域的形成本质上与解剖学背景相关。因此，整合单细胞和解剖学方法对于推进我们对TCAs与发育中皮质细胞之间相互作用的理解至关重要。另一个重要的未来方向是探索丘脑皮质相互作用对大脑功能的长期后果，特别是人类中的后果。我们对发育中人类皮质和丘脑的知识已通过单细胞和空间转录组学的进展以及人类皮质类器官的使用而大大增强。值得注意的是，丘脑皮质组装体（由并置的皮质和丘脑类器官组成）已被用于评估神经发育障碍与丘脑皮质相互作用改变之间的关系。小鼠研究强烈表明，TCAs在皮质发育中的作用因皮质区域和TCA来源而异。因此，开发皮质区域特异性或丘脑核团特异性类器官可能有助于揭示人类大脑中的特定相互作用。