文摘
抑制性中间神经元组成只有约20%的皮层神经元,从而构成一个清晰的少数民族相比,大量的神经元兴奋性投影。,然而,一个有影响力的少数民族与皮质成熟的重要角色,功能和可塑性。在本文中,我们将重点介绍功能在大脑皮质抑制发展的重要性,从胚胎大脑皮层的形成开始,按规定进行成年的感觉皮层可塑性和完成GABA参与感官信息处理。
1。介绍
大脑皮层的功能主要取决于精确的兴奋性和抑制性神经递质之间的平衡系统。激励是通过谷氨酸介导的锥体神经元,大脑皮层的投射神经元,通过一个特殊的类的局部神经元在第四皮质层,带刺的星状细胞。抑制是通过介导的γ酸氨基丁酸(GABA)皮层中间神经元,调节glutamatergic激励的程度,过滤投射神经元的输入和管理输出。gaba ergic中间神经元,大脑皮层的“nonpyramidal细胞”,把许多不同形式的树突和轴突分枝,已被用于他们的形态分类自从他们第一次描述了雷蒙卡哈尔(1- - - - - -5]。此外,中间神经元也有不同的发射模式,他们表达的神经肽,钙结合蛋白含量,和其他分子标记,如离子通道受体和转运蛋白。基于组合结构、功能以及生物化学标准,中间神经元分为许多不同的子类,这仍然是一个激烈的争论问题的专家中有多少亚型存在于皮层中间神经元不同物种的6- - - - - -8]。
在电路层,中间神经元控制信息的流动在大脑皮层和同步。大约有5倍glutamatergic比gaba ergic神经元在大脑皮层神经元;这个比例一直在许多哺乳动物中观察到。这表明,兴奋和抑制性神经元的数值平衡可能是重要的正常大脑功能和行为。尽管gaba ergic中间神经元组成,只有一小部分大脑皮层细胞,干扰的发展,因此兴奋和抑制之间的微妙的平衡,会导致神经或神经精神疾病,如癫痫、自闭症和精神分裂症(综述(9- - - - - -13])。这些疾病通常出现在儿童和青少年时期。然而,我们在本文后面部分将描述中,改变gaba ergic中间神经原也可以发生在成人和衰老的大脑,大脑皮层功能的重要影响和可塑性。
2。设置平衡:迁移到皮层中间神经元
皮质投射神经元的兴奋性锥体细胞,出现在心室区(VZ)背端脑,然后迁移径向形成叠层皮层(14]。相比之下,gaba ergic中间神经元来自腹端脑的VZ从三个区域:不同亚型中间神经元生成在内侧神经节隆起(兆欧),尾神经节卓越(CGE),视前区(POA)(见图1)。例如,parvalbumine积极和somatostatin-positive中间神经元产生主要来自兆欧,虽然大多数calretinin-positive中间神经元出生CGE和POA生——血管活性肠肽和神经肽Y-positive中间神经元。中间神经元来自这些地区长距离迁移无意中在不同流对其皮质目的地(15- - - - - -22]。
的细胞和分子机制,规范和指导迁移的中间神经元神经节的元老,小到大脑皮层开始被描述。不同组的信号分子,包括semaphorins和狭缝,作为中间神经元迁移的排斥线索(23,24]。另一方面,两种亚型的neuregulin作为短期和长期的引诱剂,限定皮层中间神经元的迁徙路线25]。另一组信号分子,广泛表达于基底中间神经原迁移期间端脑是ephrins及其受体,弗受体酪氨酸激酶。稍后将被描述,我们实验室最近的调查结果为不同的角色提供了直接证据弗/ ephrin交互的指导在皮层中间神经元迁移。
哺乳动物弗/ ephrin系统由一个家族的受体酪氨酸激酶EphAs和5 EphBs细分为9。a类型受体结合所有a类型ephrins (ephrinA1-5),这是由GPI锚拴在细胞膜。b型受体结合所有b型ephrins (ephrinB1-3),它有一个跨膜域短cytoplasmatic地区紧随其后。EphA4是一个例外,它既可以绑定a、b型配体(26- - - - - -28]。这个信号系统的一个独特的特征是一个弗受体也可以作为配体以同样的方式,一个ephrin配体可以作为受体。Ephrin绑定诱发弗提出信号;然而,ephrins信号也可以进入细胞,叫做反向信号(审查,请参阅[29日- - - - - -31日])。使用图书馆的riboprobes弗/ ephrin基因家族的所有成员,我们系统的映射原位杂交过程的完整连接分子在不同的发展阶段。我们的研究结果显示,许多成员弗/ ephrin系统可以检测到发展中端脑,他们表现出高度动态的表达模式(32,33]。基于时空表达模式我们可以作出一些预测的潜在角色这些连接分子调节皮层中间神经元的切向迁移。这些假设然后用不同的生物测试在体外直接和在不同靶向鼠标线在活的有机体内。
例如,我们可以证明ephrin-A3,纹状体中表达,阻止大脑皮层中间神经元迁移入侵这个不合适的区域(32]。我们也可以表明ephrin-A5表达的VZ神经节的元老,背侧边界MGE-derived迁徙路线的中间神经元,而这个分子作为抑制边境通道这些神经元到subventricular区(34]。因此,如图2迁移的走廊深处皮层中间神经元至少部分是由两个不同的ephrin-A配体的协调一致的行动,与ephrin-A5侧翼的背部分和ephrin-A3腹侧部分迁移流。
这些排斥效应由EphA4受体介导,由大脑皮层中间神经元表达(32,34]。正如上面已经提到的,尤其是中间神经原亚型暂时监管的方式生成兆欧,CGE,底端脑的《行动纲领》。我们可以发现POA, MGE-derived皮层中间神经元迁移空间隔离的通道内。Ephrin-B3,表达POA-derived中间神经元穿越浅路线,充当深深迁移中间神经元的信号在兆欧出生,这是由EphA4信号。相比之下,EphA4诱发排斥ephrin-B3反向信号在中间神经元生成《行动纲领》,限制人口肤浅的路径(图3)。扰动的双向ephrin-B3 / EphA4信号在体外而在ephrin-B3 / EphA4双突变体在活的有机体内导致部分细胞的混合物在这些种族隔离的迁徙途径——正如图所示4——延迟迁移calbindin-positive皮层中间神经元。因此细胞contact-mediated双向ephrin-B3 / EphA4信号介导的排序兆欧,POA-derived中间神经元在深和表面迁移流33]。
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
我们也可以证明EphA4-induced反向信号motogenic MGE-derived中间神经元的影响。在这些实验中,我们首先使用不同在体外细胞迁移和化验发现,重组EphA4刺激皮层中间神经元的迁移速度。因此,除了建立角色提供cell-contacted介导的排斥,EphA4还可以调整神经元迁移的分子机制。ephrin配体介导EphA4反向信号和信号转导级联参与这个过程目前正在接受调查。然而,为了研究EphA4的功能在中间神经原迁移在活的有机体内,我们已经检查了皮层中间神经元的EphA4淘汰赛鼠标线。我们发现有延迟搬迁calbindin-positive中间神经元在大脑皮层(35]。
3所示。中断迁移通过中间神经元Disrupted-in-Schizophrenia 1
Disrupted-in-Schizophrenia 1 (DISC1)是一个杰出的重性精神疾病的易感性基因(36,37]。归因于DISC1蛋白质的生物功能复杂,高度多样化的。例如,以前的工作表明DISC1扮演着一个重要的角色在神经细胞增殖,分化,神经突,产物和突触形成(了38,39])。也有一些研究报告,DISC1的正确定位是一个必要的组件径向迁移皮质锥体神经元(40,41]。这促使我们研究DISC1的潜在作用中间神经原迁移。
我们第一次进行rt - pcr,原位杂交和免疫染色验证DISC1表达在兆欧适当的发展阶段。我们还研究了DISC1的亚细胞分布。如图5,DISC1表达技巧的主要过程。此外,我们还发现DISC1后方的免疫反应性细胞核,相反的主要过程。仔细观察发现DISC1 colocalizes LIS1,以前称为centrosomal蛋白(42)(图6)。因此DISC1中发现重要的战略位置来控制分子机制参与中间神经原迁移,例如,通过与微管蛋白和肌动蛋白细胞骨架蛋白质相互作用,电动机动力蛋白和驱动蛋白家族的蛋白质,和调节蛋白(40,43]。
(一)
(b)
(c)
检查中间神经原迁移期间DISC1的功能作用,我们执行在子宫内和子宫内交货电穿孔抑制DISC1兆欧在活的有机体内和在体外。我们的研究结果表明,DISC1击倒后,无意中迁移兆欧神经元的比例达到了皮质的目标降低了15%。此外,还有深刻的DISC1-deficient神经元的形态学改变,表现出支主要流程长,低于控制细胞(44]。
这些结果表明,DISC1影响在早期发展中间神经元的迁移行为,可能会导致赤字的数量和/或成分gaba ergic皮层神经元。就像前面提到的1,障碍的地方gaba ergic电路常与精神分裂症的病理生理学(12]。因此我们的研究结果支持这样的观点,精神分裂症是一种神经发育疾病可能导致缺陷的集成(中间神经元45]。
4所示。抑制感觉皮层可塑性的调节
脆弱性精神疾病不是统一的生活,但增加在预处理和产后发展的一定阶段(46,47]。使神经子系统的因素尤其是开放在定义良好的环境影响,所谓的关键时期已经在神经科学研究的主题。作为一个典型的例子,双目视觉皮层展览期间被充分研究过的关键时期,在不受干扰的情况下,方向偏好刺激通过一个与另一只眼睛是统一在视觉皮层神经元(48]。它早就知道,暂时关闭(例如,monocular deprivation) of one eye during this critical period will shift the excitability of cortical neurons towards the open eye [49,50]。这个关键时期眼优势可塑性开始几天在老鼠眼打开后,有一个最大的产后28天左右,断奶后32天左右结束,当短期剥夺没有可检测的效果在大脑皮层50]。更长时间的不足,然而,仍然能够诱发眼优势可塑性直到产后100天(P100),但不再(图7,(51])。
增强可塑性的机制调节这一时期一直强烈的主题研究多年。它已成为明显的关键时期是由大脑皮层的兴奋和抑制平衡的转变(52,53](见[54]审查),转变影响fast-spiking gaba ergic成熟的中间神经元,所谓的篮子细胞的特点是他们的小清蛋白的表达55]。因此,延迟在关键时期开始的基因敲除小鼠缺乏合成酵素GAD65的GABA和触发这些老鼠一旦抑制GABA一个颅内注入受体增加是安定的52]。在儿童早期增强抑制prepones[关键时期的开始53,56,57]。另一方面,近年来一些干预措施被证明恢复关键不像塑性成年动物通过降低皮层抑制:治疗与抗抑郁药氟西汀允许眼优势可塑性在成年大鼠(58];效果是伴随着皮质GABA水平降低和预防注入安定。此外,氟西汀治疗促进经济复苏从弱视的成年大鼠58]。同样的适用于环境浓缩,再安定注入可影响(59]。事实上,直接由迦得衰减GABA释放抑制剂重建CP-like可塑性在成年大鼠(60]。
因此,似乎gaba ergic一手调节视觉皮层神经元可塑性,甚至这种印象是增强通过最近观察皮层移植的胚胎细胞内侧神经节隆起(兆欧),注定要成为gaba ergic皮层中间神经元,导致一段时间的增强小鼠的可塑性在关键时期(61年]。有趣的是,这种效果只出现在一个狭窄的时间框架移植细胞有一定的细胞年龄(33到35天)年龄对应他们在自然会有正常发展的关键时期。
令人感到意外,因为作为这个有效时间窗口,它符合很多活动依赖性研究成熟parvalbumin-containing视觉皮层中间神经元。之前和期间的关键时期眼优势可塑性,皮质抑制三元组的力量。黑暗的饲养也阻碍增加延迟的关键时期62年]。进一步研究指定的数量perisomatic剑头在视觉皮质锥体细胞增加直到产后28天,这标志着关键时期的顶峰;再次,增加视觉剥夺了63年]。这些结果暗示篮细胞的成熟是必要的眼优势可塑性的关键时期,他们表明,该成熟活动相关的。如上所述,transsynaptic转让homeoprotein Otx2从视网膜,这是由光引起知觉,已被证明诱导的成熟parvalbumin-containing中间神经元和关键时期的开始55]。高浓度的polysialic酸(PSA),这陷阱Otx2 [64年),已经被证明可以防止关键时期的开始,这样过早的PSA导致早期parvalbumin-expressing细胞的成熟和preponed关键时期(65年]。最近的研究已阐明的细胞自动机制在很大程度上促进发育在篮子细胞突触的形成:GABA-synthesizing酶GAD67导致赤字的击倒在轴突分支和perisomatic突触的形成,而过度的GAD67加速这些流程(66年),(见[67年]审查)。因此,抑制神经支配模式是由细胞的活动,反过来取决于GABA合成。最近的一个有趣的转折在发现这个故事是完全封锁GABA在单个细胞不合成,正如人们所预料的,轴突乔木大幅收缩,但反之增加他们的密度和复杂性68年]。这项研究的作者建议模型根据一篮子和许多潜在的突触后目标细胞建立初步联系,由突触修剪或稳定的活动。虽然小活动是充分的去除,但不稳定的连接,完成封锁允许复杂性也因此使轴突和突触数量高(68年]。总之,视觉刺激诱发parvalbumin-containing篮子的成熟细胞,由gaba ergic内部监管活动,转变excitation-inhibition平衡的视觉皮层神经元可塑性关键时期成为可能。
虽然似乎证实gaba ergic抑制控制皮层可塑性的水平,更明显的是在多大程度上gaba ergic神经元参与塑料的表达变化。即使在大幅减少视觉皮质抑制水平会引起癫痫发作,唤起了眼优势转变单眼剥夺可以观察到,并完成沉默的皮层连接muscimol证实有效的表达变化在丘脑皮层的神经突触(69年]。事实上,眼优势可塑性依赖Hebbian可塑性在NMDA受体(70年- - - - - -72年]。抑制性中间神经元,然后,参与突触可塑性呢?
几项研究试图回答这个问题。使用钙成像,最近的一项研究表明,gaba ergic神经元更双目,也就是说,由一只眼睛,在正常小鼠,但显示出相似的眼睛转向开放后单眼剥夺关键时期(73年]。如果单眼剥夺了关键时期后,gaba ergic神经元的眼优势转变甚至强于兴奋性神经元。提供的另一项研究中,然而,有些相互矛盾的结果:在活的有机体内从锥体细胞和胞内记录fast-spiking中间神经元兴奋细胞显示,尽管有一个正常的偏向对侧眼,他们迅速失去经过短暂的单眼剥夺,fast-spiking中间神经元在一开始,无偏显示矛盾转向短期剥夺后闭上眼睛,且仅在转向后同侧的偏见更长的剥夺期(74年]。差异可能源于不同的麻醉和方法或简单的事实,后者研究集中于fast-spiking, parvalbumin-containing中间神经元中发挥核心作用调节眼优势可塑性的关键时期,而Kameyama研究没有区分gaba ergic神经元亚型。这两项研究同意,然而,皮层抑制变化应对单眼剥夺,在成人的可塑性,这种变化甚至可能在网络中有一个强大的影响力函数比兴奋传播的相对较小的变化(73年]。
在另一个初级感觉区,躯体感觉皮质,响应中gaba ergic中间神经元的作用近年来感官剥夺已牢固确立(见[75年]审查)。如果一行的胡须被老鼠开始产后7天,parvalbumin-positive中间神经元的数量显著降低皮质桶代表这一行,而在相邻的桶(增加76年]。这个损失小清蛋白表达较低数量的perisomatic突触静脉曲张和较弱的抑制传播,产生影响,需要双向释放脑源性神经营养因子(77年]。进一步研究证实了小清蛋白表达减少,表明,胡须修剪,fast-spiking桶皮层中间神经元,而不是其他类型的nonpyramidal细胞,变得不那么兴奋,而他们减少兴奋性丘脑皮层的输入(78年]。有趣的是,这些发现有些方差与早期的研究表明在老鼠的胡须一行拔除产后第1天到60,gaba ergic突触在树突棘的数量,但不是somata,强烈的减少贫困的桶(79年](见[80年]审查)。一个潜在的方法来协调这些矛盾的结果可能是须削减在很早的时候延迟成熟的大脑皮层抑制以类似的方式如暗饲养在视觉皮层。在这里,这种剥夺也导致小清蛋白表达减少81年]。发作前parvalbumin-positive中间神经元成熟的快速眼优势的关键时期在视觉皮层可塑性(63年,82年),所以他们做的躯体感觉皮质产后10天至30 (83年]。可想而知,只有长期剥夺(两个月79年)允许输入完整的适应改变。
尽管这些问题仍然需要澄清,似乎感觉可塑性的调节机制是相似的在不同的皮质(见[84年]审查),包括小清蛋白的表达和perisomatic突触的形成篮子在躯体感觉和视觉皮层中间神经元。在听觉皮层,类似的过程似乎控制关键时期可塑性(85年,86年]。这个统一的函数在大脑皮层持有承诺为我们理解大脑皮层可塑性能力,但仍然需要做很多工作来理解细胞和网络启用可塑性的机制。
5。与年龄相关的抑制和信号处理的衰落
感知灵敏度下降。在人类岁视力和对比敏感度下降以加速的方式(87年- - - - - -89年]。为了测试在多大程度上老鼠可能作为人类老年性视力丧失的动物模型,我们表明,在着色的老鼠,也开始恶化,对比敏感度视力和大约。18个月的年龄,和相似之处,这是人类进步的损失(90年]。当然老年性退化的感觉器官损害访问环境,有长期认为中枢神经的变化也可能导致视觉或躯体感觉功能下降(91年,92年]。事实上,我们可以显示在同一个研究视觉皮层活动,以光学成像固有的信号,cortex-dependent行为可塑性强烈减少老老鼠(图8,(90年])。
精确的细胞变化之间的联系和视觉功能损失在旧动物猕猴取得。在这些动物中,方向调优的视觉皮层神经元减少的问题是几乎可检测(93年,94年]。GABA的电泳应用或记录的GABA受体激动剂muscimol神经元,然而,恢复取向选择性相似,在年轻的动物,而GABA受体拮抗剂荷包牡丹碱废除方向调优在视觉皮层神经元的年轻猴子(94年]。类似的视觉皮质功能退化,即降低方向敏感性,更高的自发活动,和较低的信噪比,在老猫和观察,在一定程度上,在大鼠95年,96年]。寻找降低皮层抑制的原因,华和他的同事们(97年)发现了密度和GABA-immunopositive猫视觉皮层神经元的比例下降了大约一半在老和年轻的动物相比,而兴奋性神经元的数量没有变化。
这种抑制性中间神经元的损失影响所有gaba ergic亚型一视同仁?在人类和狗篮子细胞的特点是小清蛋白似乎非常有弹性,老年(98年,99年]。这符合最新发现parvalbumin-containing中间神经元的活性几乎没有影响视觉皮质锥体细胞的定向调优(One hundred.),而基因诱导亏损dendrite-targeting中间神经元导致受损方向调优在鼠标视觉皮层101年]。calbindin-immunoreactive中间神经元的密度,相比之下,减少在几乎所有的人类大脑,但明显所以只有在少数几个地区,其中初级视觉皮层(98年]。calretinin-positive神经元的密度也受到年龄的影响,但主要是在颞区。有点矛盾的研究结果发现在老鼠的躯体感觉和运动皮层,密度的小清蛋白和somatostatin-positive中间神经元被发现减少在古老的动物102年]。现在还不清楚关于parvalbumin-positive细胞的差异是由于不同的大脑区域,压力,或物种。似乎确定,然而,一些种类的gaba ergic中间神经元丢失在老化,这损失可能功能退化的原因中发现古老的动物。这些知识可能会提供一个基础为未来的治疗干预措施。
6。结论
尽管只有少数的皮层神经元,抑制中间神经元有一个关键的角色在调制皮层功能和可塑性,甚至细微的损伤,这些细胞的完整性可以导致严重的神经和精神障碍。因此了解gaba ergic中间神经元的发展至关重要,他们融入皮质回路,保护他们的必要因素。结果,它可能成为可能治疗神经疾病的基本电路水平。