文摘
一生中,形状和经验选择最适当的大脑功能连接来适应变化的环境。理想的系统研究经验依赖视觉皮层可塑性,因为视觉体验可以轻易操纵。在这篇文章中,我们集中在两半球间的的角色,transcallosal预测的经验依赖视觉皮层的可塑性。我们检查数据显示,剥夺感官体验可以修改胼胝体的纤维的形态,从而改变两个半球之间的通信。更重要的是,操纵胼胝体的输入活动期间的早期改变发展的关键时期的成熟功能性质在视觉皮层和修改其改造的能力以应对经验。我们还讨论最近的数据在大鼠视觉皮层,证明胼胝体binocularity扮演重要角色的皮质神经元和参与接下来的塑料眼睛偏好转移的单眼眼睑缝合(单眼剥夺)。因此,经验可以修改好胼胝体连接,和胼胝体的连接是一个主要途径,经验可以通过调解功能成熟和塑料在视觉皮层重组。
1。介绍
从弹钢琴到骑自行车,两半球间的通信是一个重要的工具,是我们的大脑用之来执行各种各样的日常操作,从非常简单到复杂行为。最重要的一个途径,这种交流是实现胼胝体,大脑中的主要纤维束(1- - - - - -3]。人类它包含大约170 - 190年数百万互连同源皮质的纤维在两个半球,所估计的先驱工作在1954年由Tomasch人类大脑4]。
许多实验和观察表明,两个半球可以抑制对方通过胼胝体的通路,实现单侧性的功能,如语言的隔离或面部识别3,5]。然而,其他的实验表明,胼胝体的途径提供了一个相反的半球,使大脑皮层兴奋性输入集成(5,6]。
在视觉,我们主要的感官系统,胼胝体是绑定在一起的单独表示两半的视野2,7,8]。实际上,每个半球从相反的视觉hemi-field接收信息;因此,在皮质地图视觉世界不连续地表示,两个半球之间的分裂以及中央垂直经线。胼胝体的关键作用之一就是把这两个部分的皮质地图视野成一个单一的,连贯的表达(9]。最近雪貂的电生理数据证实,胼胝体的连接整合视野的垂直中线stimulus-specific的方式(10]。
2。视觉皮层解剖胼胝体的预测
始终与一个角色在知觉绑定,胼胝体的连接是强烈地集中在区域之间的边界地区17和18岁的对应表示垂直子午线在猫、猕猴和人类(9,11,12]。最近的研究利用扩散张量成像显示胼胝体的连接在人类V1 [13- - - - - -15]。胼胝体链接皮质位点在网膜代表通信(16,17]。猫的神经解剖学的跟踪表明,集群的胼胝体的剑头优先分布地区代表也相同的取向和不仅visuotopic位置相反的半球[18]。
在猫,两半球间的纤维起源于一个狭窄的区域之间的过渡区17和18 (8),根据一般规则网膜代表位点胼胝体的连接,相反的半球的胼胝体的终端尤其集中在这个地区17 /区域18边界(19- - - - - -21]。跟踪研究表明,胼胝体轴突显示2或3集群的突触剑头2 - 3层和5层上部18]。
在啮齿动物,不同于猫和灵长类动物,整个初级视觉皮层的范围包含胼胝体的细胞(22]。然而,他们的终端还特别集中在一个相当窄的条纹区域边界(17/1823,24]。最近,美津浓et al。25)已经证实这个发现老鼠标签胼胝体轴突通过在子宫内绿色荧光蛋白的电穿孔。这些实验也表明,轴突arborisations胼胝体的细胞主要位于1 - 3层和5层(25,26]。
胼胝体的细胞不构成一个同质人口,因为他们有不同的morphochemical表型(8,27,28]。猫,绝大多数的胼胝体的神经元大锥体细胞和免疫组织化学观察和研究使用的选择性吸收放射性标记的发射机未能识别包含胼胝体的GABA神经元(29日]。然而,实验与辣根过氧化物酶逆行运输注入边境地区相反的半球报告偶尔观察transcallosal nonpyramidal细胞在猫30.]。同时,瞬变大鼠早期发育期间采用免疫染色显示许多GABA-positive胼胝体纤维,这很大程度上消失在后期31日]。根据这些结果,我们小组已经表明,在幼年大鼠视觉皮层只有1%的胼胝体的投射神经元显示GABA免疫反应性(32]。
猴子、猩猩和人类,胼胝体轴突不同大小的互连功能不同的皮质33,34]。轴突来自每个皮质站点覆盖相当范围的传导速度,分散在动作电位时间传输到另一个半球。广泛的时间延迟可能会扩大神经元数量的集合体,transcallosal连接可以激活(33]。
3所示。生理的胼胝体的连接视觉皮层
电生理观察表明,胼胝体的输入可以提供激励和抑制侧方(35,36]。一方面,移除的胼胝体的相反的视觉皮层的输入(通过冷却或注射GABA在一个半球)导致的神经反应性降低的一小部分细胞记录,显示胼胝体的对这些神经元兴奋性的贡献。另一方面,一个子集的神经元响应幅度的增加,兼容的驱动的胼胝体的抑制(35,36]。
这些生理数据显示transcallosal抑制和兴奋性影响了猫的内部和细胞外结果不同群体显示胼胝体的纤维主要引起神经元的直接激发相反的半球,但也可以产生一个disynaptic通过当地gaba ergic细胞抑制性突触后电位(8,37]。
信息通过胼胝体的类型,研究了视觉皮层最近通过电生理学、光学成像和心理物理方法。
局部场电位的录音之前、期间和之后的冷却失活相反的半球显示胼胝体的输入修改视觉反应在一个复杂和stimulus-dependent方式(10]。具体来说,胼胝体的影响更频繁地抑制反应引起通过丘脑皮层的途径(表明两半球间的抑制),但facilitatory事件也观察到(10]。这胼胝体的激励主要是神经元之间相同的取向,符合解剖学的证据直接单突触的连接连接神经元集群代表相同的取向在双方的大脑18]。相反,transcallosal抑制既iso-oriented和cross-oriented神经元之间。这种效应可能是通过当地的中间神经元和gaba ergic扩散抑制介导的列不同方向(10]。
胼胝体也调节视觉响应特性,如跨中线方向和方向选择性。特别是,猫,胼胝体的连接强度和特异性的取向和定向反应在大脑皮层神经元38]。皮质域喜欢红衣主教轮廓似乎接收一个强大的脑半球输入,失去了冷却后的侧半球[38]。
视觉胼胝体的连接的另一个重要功能是创建transhemispheric神经元同步神经元的活动组件的两个半球。事实上,胼胝体或失活的一面大大影响功能耦合的两个半球39- - - - - -42]。
胼胝体的连接也扮演了一定的角色在决定皮质binocularity和其他功能,比如深度知觉、水平差异调优、对比敏感度和转让的适应(38,43- - - - - -45]。视觉信息传播的时空特征通过胼胝体类似于一个低通滤波器,的确高空间和时间频率衰减,胼胝体的神经元减少灵敏度低对比(43]。最近的一项研究在人类已确认胼胝体的通信处理高对比的重要性。事实上,rTMS沉默的离开后视觉皮层作者发现选择性增加,相反的半球,场电位诱发的高对比度的刺激(46]。
4所示。胼胝体的发展:角色自发活动和视觉体验
胼胝体的发展是一个缓慢的过程,跨越许多年的人类;纤维出现在10 - 11周的妊娠,但成熟一直持续到青春期髓鞘形成完成(47]。在猫、胼胝体发育完全的1 - 3个月的年龄(48]。在啮齿动物中成熟的胼胝体完成后眼睛打开(断奶后15天)25),但髓鞘形成的过程会持续到成年49]。
视觉胼胝体轴突最初旺盛,但在开发过程中他们经历部分消除现象(50,51]。猫在第一次产后两个月,胼胝体的传出区逐渐成为限制在他们的成年位置在视觉皮层51]。同样在大鼠顶叶皮层,进步的主要因素限制thecallosalprojection撤军或退化的轴突络脉,而不是选择性的许多细胞的死亡最初项目对边(52]。初步繁荣的神经元连接之后,后阶段的轴突修剪是一种常见的主题在神经发育53]。
像任何其他的大脑结构,胼胝体的通路可以接受塑料改变在其早期形成和成熟。它的发展已经表明,视觉胼胝体的连接强烈依赖于神经活动之前眼睛打开(25,56]。新生儿摘出术实验表明,活动所需的精炼胼胝体的预测。电子显微镜在无核的老鼠的部分显示,眼睛的存在是必要的开发和/或维护胼胝体的终端形成多个突触联系(57]。眼睛的存在也是很重要的在一个窗口的胼胝体的可塑性在断奶后4到6天(大鼠和小鼠)指定胼胝体的地图non-NMDA受体介导的过程(17,58]。NMDA受体似乎要求主要为胼胝体的杆的初始精化发展(17]。在老鼠、美津浓等。25]探讨胼胝体的自发活动发展的作用,表明减少发射胼胝体的神经元的活动导致了受损轴突生长和乔木。相反地干扰他们胼胝体的目标只有有限的神经元影响的模式胼胝体的终端(25]。在开发过程中,也证明了在大量的大鼠皮层,但流动人口功能gaba ergic transcallosal神经元。这些gaba ergic神经元可检测位围产期但似乎并不持续到成年,可能工作寻路或分化信号(31日]。也有一些确定的分子因素负责在小鼠皮层神经元兴奋性投射的胼胝体的命运。在缺乏Fezf2,锌指转录因子,皮质神经元采用胼胝体的神经元的轴突的目标和他们的典型的峰值频率适应性强在细胞内的电流注入。Fezf2 神经元也获得一个已知的胼胝体的标记的表达,染色质重塑蛋白Satb2 [59- - - - - -61年]。
调制的视觉体验也会影响发展的胼胝体的连接。饲养动物在完全黑暗从出生夸大了部分消除胼胝体的预测,用更少的终止胼胝体轴突在区域边界(17/1862年,63年]。同样,双边眼睑缝合导致明显减少胼胝体的连接,减少了50%的总数胼胝体的神经元(64年]。相反,单眼摘出术胼胝体的细胞产生异常广泛分布在边境的17/18。后者描述的效果类似于猫饲养收敛或发散斜视,或单眼眼睑缝合。所有这些操作产生一个广泛的分布和旺盛的胼胝体的终端数量(65年- - - - - -68年]。
也有数据显示,视觉经验可以影响胼胝体的神经元的功能性质在成年猫。例如,医学博士的一项研究表明,在成年后能诱导功能变化在视觉胼胝体的地图,导致增加了接受域大小和方向选择性的损失(69年]。
5。角色的胼胝体发育成熟的视觉皮质
到目前为止所描述的实验证明,自发活动和感官体验可以修改胼胝体连接的。脑半球的问题是是否有角色的沟通在视觉皮质的发展。视觉皮层是不成熟的时候眼睛逐渐开放和发展其功能和结构特性在生命早期(关键时期70年]。在这段时间窗口,体验改进的视觉属性。其中,成熟的一个重要标志是视敏度的增加,在达到成年老鼠值断奶后35天左右。在成熟的视敏度的同时,有一个渐进的潜在损失在大脑皮层可塑性。这通常表明一段的影响差别,对这些单眼眼睑缝合(单眼剥夺,MD)眼睛偏好的皮层细胞(70年,71年]。许多研究已经描述了视觉体验的作用在视觉皮层的成熟71年- - - - - -73年]。总暗饲养缺乏视觉体验,例如,暂停成熟的视敏度,延长期间对MD (71年,73年]。而视觉皮层成熟经验的作用是建立,我们组最近胼胝体的特定角色的连接在视觉皮层的功能开发。具体来说,我们产生了单边,长期压制发展中鼠初级视觉皮层的活动利用的肉毒梭菌的酶神经毒素E(肉毒毒素/ E)。肉毒毒素/ E是metalloprotease进入胞质神经终端接近交付和专门开辟的突触蛋白SNAP-25 (25 kDa synaptosomal-associated蛋白质),造成长期的封锁发射机释放(74年- - - - - -76年]。
我们单方面的视觉皮层注射肉毒毒素/ E老鼠幼崽的时候眼睛打开(54]。肉毒毒素注射/ E导致选择性的封锁注入的活动,但不侧,皮质,至少持续2周,从而跨越大多数皮质发展“关键时期”(71年]。这个实验的方法是理想的解剖两半球间的连接在皮质发育的作用,因为uninjected皮质经历正常的视觉只通过retinothalamic通路和缺乏胼胝体的输入(见方案图1(一))。这短暂的单边沉默内在皮质活动的预防功能皮质双方的成熟。注射皮质显示赤字在视力和延长眼优势可塑性的关键时期。值得注意的是,这些影响是可检测的视觉皮层相反uninjected(图1 (b)),指向一个脑半球连接产后发展至关重要的作用。因此,封锁了皮质的成熟是重合的对面,只有缺乏胼胝体的输入和维护正常的传入活动通过直接retinogeniculate通路(图1 (b))。非常相似的发展同侧和对侧的赤字观察活动封锁显示胼胝体的联系的基本作用在协调的过程中皮层成熟(54]。这一发现是一致的知名角色胼胝体同步活动在大脑的两个部分39- - - - - -42]。
(一)
(b)
解释这些双边效应后单方面沉默可能意味着缺乏维持胼胝体的输入相反的视觉皮层活动期间封锁在一边54,77年]。在目的论方面,双方的并行开发的大脑需要确保在大脑半球之间的信息处理;这些实验的结果表明,transcallosal途径调解这一协调的成熟。
为了证实这个想法,我们利用小鼠模型的AP2条件删除转录因子。删除AP2在开发期间的结果在一个特定的减少上层神经元在枕叶皮质区,尤其是胼胝体的投射神经元(78年]。因此,成人AP2条件性基因敲除小鼠显示胼胝体的大小减少。在功能层面上,这种表型耦合到一个深刻的视力下降。生理上的视敏度下降让人联想到更多的视觉皮层的不成熟状态,我们测试的假设,这是否也伴随着维护更高程度的可塑性,更不成熟阶段一样。事实上,眼优势可塑性引发的短暂的MD是保留在成人老鼠。这些数据提供了进一步支持这一假说的胼胝体的预测作为视觉皮层的功能成熟的一个重要决定因素(78年]。
文献报道表明,皮质成熟胼胝体的作用可能是守恒的跨物种。事实上,横断胼胝体的小猫在产后发展的早期阶段(但不是在后期)产生行为的减少测量视力,能支持作用大脑半球之间的交流在皮质成熟79年]。猴子接受单方面病变初级视觉皮层在婴儿期显示损伤刺激检测的完整的视觉障碍(80年]。可能会有一个类似的敏感期在人类早期,当胼胝体的完整性似乎视力的发展尤其重要。的确,出生的孩子早产显示相关性白质微结构和视力81年]。按照“关键时期”的想法敏锐的胼胝体成熟的角色,成人患者经历callosotomy没有视力的损伤(82年]。提到很重要的功能成熟其他皮质属性出现在开发过程中进行独立的胼胝体的影响。例如,雪貂视觉皮层取向选择性的发展不受活动影响封锁在侧半球[83年]。
视力的发展依赖于适当的胼胝体的函数只在一个关键时期,但胼胝体的通路的重要性在集成在成人大脑处理仍明显。单侧枕叶皮质区损伤患者显示减少空间和时间敏感的视力障碍(84年,85年]。此外,偏盲患者出现损伤图检测任务也完整hemi-field,表明这种赤字可能两半球间的相互作用引起的损失86年]。
6。的角色在皮质Binocularity胼胝体
特别是高浓度的胼胝体的终端区域边界17/18,接近垂直的子午线,binocularity胼胝体的提示输入的作用。
在猫,胼胝体的神经元(即细胞是高度双目。,they respond equally to a stimulus presented to the ipsilateral or the contralateral eye) [7,87年)和许多实验已经进行调查一个角色胼胝体的偏好。然而,他们产生了矛盾的结果。部分的胼胝体没有影响(88年)或导致binocularity显著减少(19,89年- - - - - -91年在猫的视觉皮层。这些结果的差异可能由于技术方面,包括年龄胼胝体的部分和执行手术和记录之间的时间。
在啮齿动物视觉皮层反应偏向对侧眼(71年,92年- - - - - -94年),由于比例较高(95%以上)的视网膜纤维交叉的交叉(95年),比约50%的纤维(从鼻hemiretina)猫,猴子和人类。在老鼠和老鼠,对侧的偏见是逐步减少接近高度双目V1 / V2边界(92年,96年]映射的垂直经线和胼胝体的预测尤其密集(23,25]。澄清胼胝体的作用在大鼠皮质binocularity,我们记录的单一单元反应前后2 - 3层严重封锁胼胝体的输入。这是实现通过交付muscimol伽马氨基丁酸一个受体激动剂,在纹状皮层侧记录网站(图2(a))。激增的细胞外记录活动展示了一个增强的单个单元的侧偏压后注入muscimol成相反的半球[32]。眼优势(OD)转向对侧眼是由于减少反应诱发的同侧眼的力量(32]。细胞的效果观察与接受领域接近垂直的子午线,消失在大脑皮层(即更多的内侧位置。在V1的核心,映射更外围的视觉部分hemi-field) [32]。这是符合胼胝体的预测尤其集中在横向方面的初级视觉皮层(垂直经线)(23,25]。我们的结果是一致的与先前的白化病老鼠实验还显示一个戏剧性的转变的眼睛偏好(由于失去同侧眼反应)相反的皮层(冷却后97年]。
我们还进行了互补实验,视觉反应记录之前和之后在同一动物急性丘脑失活。我们测量OD之前和之后的输入与急性丘脑沉默的膝状体通过河豚毒素(TTX)注射55]。该协议允许一个孤立的视觉反应完全由胼胝体的传入纤维。膝状体失活后,OD转向侧眼(数字2(c)和2(d)),这是由于一个健壮的侧eye-driven响应,而同侧眼反应降低到一个较少的程度55]。
总之,这些数据识别两种来源不同的binocularity鼠视觉皮层:retinogeniculate通路承载主要侧眼输入,和同侧眼输入胼胝体的途径主要是提供相反的皮层神经元(32,55,97年]。提到的作用是很重要的胼胝体的输入生成双目反应可能是啮齿动物视觉系统的一个特定的属性,鉴于retinogeniculate皮质的比例对侧眼低啮齿动物(预测,由于大量纤维在交叉路口;见上述部分)。因此,在正常大鼠视觉皮层,binocularity似乎取决于胼胝体的纤维的功能。特别是,侧眼开的很大一部分皮质反应到达通过胼胝体的连接从相反的半球,占主导地位的眼睛。
7所示。眼胼胝体的优势作用可塑性
鉴于胼胝体的输入为皮质发展的重要性和binocularity的一代,我们组最近调查可能的参与引发的塑料转变的胼胝体OD单眼剥夺。经验在开发过程中特别有影响力的敏感时期,当适当的模式选择功能连通性的品种繁多的潜在模式(98年]。在此期间,短暂的视觉体验的修改可以在视觉皮质电路产生深远的重排。短暂的MD在关键时期的平衡的数量和模式视觉信息来自两个眼睛,导致OD转向开放的眼睛。特别是,剥夺眼失去了能力在推动皮质神经元(反应抑郁症),而神经元的反应更积极开放的眼睛(响应增强作用)。
我们剥夺了一群老鼠在关键时期的七天诱导OD期望的转变。我们测量了OD转变前后急性沉默的胼胝体的通路,通过muscimol注入大脑皮层记录半球相反。这个实验协议允许塑性正常进行,调查结果急性的胼胝体的输入。令人惊讶的是,muscimol注入对面记录皮层后恢复binocularity MD在幼年大鼠(32]。这次复苏后binocularity胼胝体的沉默是由于增加的力量被剥夺。因此,急性的胼胝体的影响后MD揭露剥夺眼的输入。这些数据表明,胼胝体的传入纤维主要采取行动抑制闭上眼睛输入下视觉剥夺(32]。符合这一观察,连续压制胼胝体的输入整个医学预防剥夺眼的响应能力的丧失,导致OD转变的显著减少。因此,transcallosal连接是至关重要的是参与的弱化剥夺眼反应在医学博士(32]。
一个增强的皮层抑制能力已被证明有助于降低贫困的传入纤维激活大脑皮层神经元(99年]。我们的研究结果表明,胼胝体的输入后抑制的主要来源。这可能是由当地的中间神经元传递,抑制约99%的胼胝体的细胞是glutamatergic [32]。中间神经元的特定类型(s)接收胼胝体的输入目前不知道,强烈的调查的主题。
有趣的是提到transcallosal抑制似乎发挥重要作用在塑料事件发生在几个大脑病理条件。例如,忽视患者的一些行为症状是由于病理状态的增加抑制施加到受损侧顶叶皮层,完整的半球[One hundred.,101年]。在这些患者中,沉默的完整与经颅磁刺激导致实质性的,持久的改善的行为表现One hundred.,101年]。
8。结论
在这篇文章中,我们已经描述了transcallosal通路的贡献经验依赖视觉皮层可塑性。一方面,胼胝体的纤维连接的影响变化的视觉输入(例如,视觉剥夺)。另一方面,transcallosal路线似乎发挥重要作用在确保功能匹配两个脑半球的发育成熟过程中早期的关键时期。胼胝体的纤维还有助于正常binocularity和OD的转变发生在单眼剥夺大鼠视觉皮质。因此,胼胝体是一个关键的球员在塑料现象背后青少年大脑的适应不断变化的环境。