雙光子顯微成像技術(shù)助力揭示海馬空間認(rèn)知功能的發(fā)育機(jī)制
空間認(rèn)知是動(dòng)物個(gè)體得以生存的一種重要能力，它幫助動(dòng)物完成導(dǎo)航、記憶以及適應(yīng)環(huán)境等關(guān)鍵任務(wù)。空間認(rèn)知能力既依賴于先天的神經(jīng)基礎(chǔ)，也受到后天學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的深刻影響。前人在海馬中發(fā)現(xiàn)了可以編碼空間位置的細(xì)胞，在內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層中發(fā)現(xiàn)可以在環(huán)境中多個(gè)特定位置呈六邊形網(wǎng)格狀放電的網(wǎng)格細(xì)胞，在背側(cè)前下托等腦區(qū)發(fā)現(xiàn)編碼動(dòng)物頭方向信息的頭方向細(xì)胞頭方向細(xì)胞等，這些細(xì)胞類型為空間認(rèn)知提供了神經(jīng)基礎(chǔ)。然而，這些細(xì)胞在動(dòng)物出生后的發(fā)育早期的功能，其成熟變化的過(guò)程，以及發(fā)育早期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能和變化過(guò)程仍有許多未解之謎。
為了進(jìn)一步解析海馬神經(jīng)元在空間認(rèn)知功能上的發(fā)育機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在大鼠海馬神經(jīng)元層面探索大腦空間認(rèn)知的原理，作者利用超維景自主研發(fā)的高分辨型微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-HR），實(shí)現(xiàn)了在大鼠海馬淺層及深層的神經(jīng)元成像。
總之，該研究揭示了早期位置細(xì)胞和晚期位置細(xì)胞的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程，為我們認(rèn)識(shí)空間認(rèn)知能力的發(fā)育提供了新的視角，為海馬功能發(fā)育過(guò)程中的“先天-后天”相互作用提供了關(guān)鍵證據(jù)。
為了進(jìn)一步解析海馬神經(jīng)元在空間認(rèn)知功能上的發(fā)育機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在大鼠海馬神經(jīng)元層面探索大腦空間認(rèn)知的原理，作者利用超維景自主研發(fā)的高分辨型微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-HR），實(shí)現(xiàn)了在大鼠海馬淺層及深層的神經(jīng)元成像。
2024年11月21日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系陳小菁助理教授團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所王成研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在國(guó)際著名期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Early and late place cells during postnatal development of the hippocampus”的研究論文。利用微型化雙光子成像技術(shù)等研究手段，揭示了海馬空間認(rèn)知功能的發(fā)育機(jī)制，為探索大腦空間認(rèn)知“先天-后天”相互作用提供了關(guān)鍵證據(jù)。
作者首先利用鈣成像技術(shù)，對(duì)第17天至第28天的幼年大鼠海馬CA1腦區(qū)進(jìn)行了長(zhǎng)期記錄，發(fā)現(xiàn)在發(fā)育早期就出現(xiàn)了編碼空間信息的細(xì)胞，稱之為早期位置細(xì)胞（Early place cells）。作者在線性軌道和開(kāi)放曠場(chǎng)這兩種不同的環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明早期位置細(xì)胞在多個(gè)環(huán)境中都展現(xiàn)出較高的空間編碼能力，并且它們的空間編碼能力的高排序在跨天測(cè)試中保持一致。然而，與發(fā)育晚期和成年動(dòng)物相比，早期位置細(xì)胞的位置場(chǎng)在跨天的穩(wěn)定性上相對(duì)較弱。這一發(fā)現(xiàn)暗示早期位置細(xì)胞可能構(gòu)成了初步認(rèn)知地圖的重要基礎(chǔ)，為新生個(gè)體提供了先天的導(dǎo)航能力。隨著發(fā)育，更多細(xì)胞發(fā)育成為位置細(xì)胞，稱這些細(xì)胞為晚期位置細(xì)胞。晚期位置細(xì)胞的空間編碼能力在發(fā)育早期迅速增強(qiáng)，而早期位置細(xì)胞在發(fā)育早期的空間編碼能力并沒(méi)有顯著提高。這一發(fā)現(xiàn)提示晚期位置細(xì)胞可能為個(gè)體在后天學(xué)習(xí)的過(guò)程中提供了環(huán)境適應(yīng)的能力。
作者進(jìn)一步利用微型化雙光子顯微成像技術(shù)，對(duì)海馬CA1腦區(qū)的深層和淺層神經(jīng)元進(jìn)行了精細(xì)的監(jiān)測(cè)。以往結(jié)果顯示，CA1 區(qū)深層和淺層細(xì)胞具有不同的特性和發(fā)育起源，因此作者使用雙光子成像研究了深層和淺層中早期位置細(xì)胞的分布和特性。在3只幼年大鼠出生后的17天到19天，每天進(jìn)行線性軌道和開(kāi)放曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)范式并同時(shí)成像海馬腦區(qū)，共記錄到了2676 個(gè)深層細(xì)胞和 6073 個(gè)淺層細(xì)胞。通過(guò)計(jì)算深層和淺層細(xì)胞的基本放電特性，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異，推測(cè)放電率差異存在大鼠發(fā)育成熟期。且結(jié)果顯示，早期位置細(xì)胞在海馬CA1的深層和淺層都存在，但深層細(xì)胞的同步性顯著高于淺層細(xì)胞。
作者首先利用鈣成像技術(shù)，對(duì)第17天至第28天的幼年大鼠海馬CA1腦區(qū)進(jìn)行了長(zhǎng)期記錄，發(fā)現(xiàn)在發(fā)育早期就出現(xiàn)了編碼空間信息的細(xì)胞，稱之為早期位置細(xì)胞（Early place cells）。作者在線性軌道和開(kāi)放曠場(chǎng)這兩種不同的環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明早期位置細(xì)胞在多個(gè)環(huán)境中都展現(xiàn)出較高的空間編碼能力，并且它們的空間編碼能力的高排序在跨天測(cè)試中保持一致。然而，與發(fā)育晚期和成年動(dòng)物相比，早期位置細(xì)胞的位置場(chǎng)在跨天的穩(wěn)定性上相對(duì)較弱。這一發(fā)現(xiàn)暗示早期位置細(xì)胞可能構(gòu)成了初步認(rèn)知地圖的重要基礎(chǔ)，為新生個(gè)體提供了先天的導(dǎo)航能力。隨著發(fā)育，更多細(xì)胞發(fā)育成為位置細(xì)胞，稱這些細(xì)胞為晚期位置細(xì)胞。晚期位置細(xì)胞的空間編碼能力在發(fā)育早期迅速增強(qiáng)，而早期位置細(xì)胞在發(fā)育早期的空間編碼能力并沒(méi)有顯著提高。這一發(fā)現(xiàn)提示晚期位置細(xì)胞可能為個(gè)體在后天學(xué)習(xí)的過(guò)程中提供了環(huán)境適應(yīng)的能力。
作者進(jìn)一步利用微型化雙光子顯微成像技術(shù)，對(duì)海馬CA1腦區(qū)的深層和淺層神經(jīng)元進(jìn)行了精細(xì)的監(jiān)測(cè)。以往結(jié)果顯示，CA1 區(qū)深層和淺層細(xì)胞具有不同的特性和發(fā)育起源，因此作者使用雙光子成像研究了深層和淺層中早期位置細(xì)胞的分布和特性。在3只幼年大鼠出生后的17天到19天，每天進(jìn)行線性軌道和開(kāi)放曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)范式并同時(shí)成像海馬腦區(qū)，共記錄到了2676 個(gè)深層細(xì)胞和 6073 個(gè)淺層細(xì)胞。通過(guò)計(jì)算深層和淺層細(xì)胞的基本放電特性，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異，推測(cè)放電率差異存在大鼠發(fā)育成熟期。且結(jié)果顯示，早期位置細(xì)胞在海馬CA1的深層和淺層都存在，但深層細(xì)胞的同步性顯著高于淺層細(xì)胞。
總之，該研究揭示了早期位置細(xì)胞和晚期位置細(xì)胞的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程，為我們認(rèn)識(shí)空間認(rèn)知能力的發(fā)育提供了新的視角，為海馬功能發(fā)育過(guò)程中的“先天-后天”相互作用提供了關(guān)鍵證據(jù)。
標(biāo)簽：
雙光子顯微成像
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