非洲爪蟾蝌蚪连接视网膜和中脑顶盖
神经纤维环路的早期发育和功能
Zhenyu Liu, Ali S Hamodi and Kara G Pratt
专业：生科151 姓名：陶梅 指导老师：沈万华 摘要：连接视网膜和中脑顶盖神经纤维环路是两栖类视觉系统的主要部分，由视网膜神经节细胞组成，在视顶盖中投射轴突形成突触和突触后膜神经细胞群。连接视网膜和中脑顶盖神经纤维环路是相对简单的并且发育迅速。大约受精7-8天后早期蝌蚪开始显现出视觉回避行为依赖于视顶盖神经环路。在综述中我们首先提供视顶盖神经环路动态形成过程，包括微型电路技术形成顶盖-顶盖联结的顶盖。第二，我们将讨论基于电环路的视觉回避行为并且如何利用这种行为使之成为测试视觉系统功能的一种方法。前言 令人震惊的是大量4-5天的细胞能分化并且自组装成为一只蝌蚪，能感觉和回应它周边的环境。快速生长，能通过活体成像和电生理记录整个细胞顶盖神经纤维环路所有发育时期。顶盖神经纤维环路是两栖类动物视觉系统的主要组成部分，是学习从神经发生到神经分化为轴突引导和环路提纯整个神经发育过程的受欢迎的模型[1-3]。因此，大趋势认为神经环路发育起源于这个模型。然而忽略了事实上在神经发育的同时，顶盖神经纤维环路产生强有力的视觉引导行为。关于最近的行为描述，非洲爪蟾蝌蚪已然成为一个学习神经行为发育的完美模型，为研究回路如何产生特定行为提供了令人眼花缭乱的新思路。在本文中，我们首先总结了顶盖神经纤维环路动态发育过程并且强调了环路细化的机理，环路如何保持恒定的输入输出功能以及在视顶盖微型环路技术的发现。然后我们讨论视顶盖神经纤维环路产生的视觉引导回避行为，重点讨论了视顶盖神经纤维环路产生的视觉引导回避行为与回路发育的关系。顶盖神经纤维突出的发育 视顶盖神经纤维环路是由视网膜神经节细胞在突触前的一侧组成，这些细胞将轴突投射到视顶盖上，视顶盖是一个显著的中脑结构类似于哺乳动物上级丘脑。在视顶盖神经鞘中，视网膜神经细胞轴突在突触后覆盖神经树突。该环路的开发如下。 在受精4天后（根据Nieuwkoop和Faber[4]）分期，视网膜神经节细胞轴突到达视顶盖对侧[5,6]。顶盖神经纤维环路发育即将开始。顶盖内的BDNF诱导轴突向外延伸[7],而在RGC轴突中，配体和配体蛋白具有双重梯度，顶盖神经元树突向RGC轴突方向排列形成一个粗糙的地形图，在顶盖中，背侧眼部神经的腹轴映射到腹背侧，从眼部鼻翼侧到顶盖尾部侧[8]。一旦定位在视顶盖适当区域（41/42期），视网膜神经节细胞开始在顶盖神经树突上形成新的突触，此时树突有简单的形态学。一旦功能树突形成，顶盖神经细胞开始接受视网膜神经节细胞输入[9,10]。和新形成的皮质突触相似，初期的连接视网膜和中脑顶盖神经纤维的突触只有NMDA受体（沉默受体），要么大部分只有少量AMPA受体和NMDA受体，因此相对较低的AMPA/NMDA比值[11]。尽管此时连接视网膜和中脑顶盖神经纤维的突触传递相对微弱，但通过脉冲[12]刺激可在该突触诱导出一种全局形式的LTP。最近研究发现使用更多生理学刺激也会产生类似结果，即域下视网膜神经节细胞刺激可转化为突触后动作电位。将蝌蚪暴露在移动光柱环境中15分钟，或者暴露在像BBC纪录片《行星地球》的水下场景中，强调视觉刺激对环路发育的影响和证明自然视觉经验体验结果可能是一种加速版本。图一 视网膜神经纤维环路由三个不同阶段发育形成。（a）第40-42阶段：电路在这一极早期发育过程中，轴突才开始在顶盖树突上形成未成熟的突触。视网膜神经节轴突和顶盖神经元形态简单。（b）44-47期：视顶盖神经纤维环路发育最活跃阶段。随着树突和轴突的生长和收缩及整体的生长，这一阶段的特点是突触的形成和丢失率很高，顶盖神经元表达的固有兴奋性很高。视觉刺激的环路输入可推动大多数顶盖神经元放电，从而提供依赖活动的指令。（c）第48/49阶段：在视觉活动机制上，电路变得更加稳定和完善。视网膜神经节细胞轴突和顶盖神经元树突仍然很复杂，但在空间上更为集中。任何一个神经元给定不同的顶盖神经纤维环路的输入越少，但它一直保持输入越强，内在兴奋性显著降低。 在第一个连接视网膜和中脑顶盖神经纤维的突触形成24小时后，该回路进入最动态的发育时期，44-47期，其特征是突触形成和消失的速率都形成短暂的峰值,同时出现了视网膜神经节细胞轴突和视顶盖神经纤维环路树突的延伸和收缩[14]。此时，顶盖神经元固有的兴奋性达到峰值[15-17]，BDNF亦是如此。与活动相关的机制在形成和完善电路中起着更重要的作用。例如，在发育的这个阶段，活动调节轴突和树突的生长[19,20]，以及邻近的视网膜神经节细胞轴突同步放电，这是通过Munz和他的同事的一项富有创造性和智慧的研究发现[21]，以促进这些轴突的稳定，但异步激发破坏了它们的稳定性。最后，经典的Hebbian可塑形式已被证明可以在这段时间内细化突触连接[12,22,23]。 由于是动态的，这一阶段在48小时内结束，其结果是一个更加精细的电路：轴突和树突在空间中变得更加稳定和集中[24-27]，而通过依赖于NMDA受体的机制，顶盖神经元的接受域变得更加明确和压缩[28-30]，进一步的细化是通过一个新发现的有趣机制介导的光流，因为蝌蚪是向前游而不是向后游的，视觉刺激的空间模式永远是从前向后流动的。视流产生的视网膜神经节细胞重复时序被激活的轴突较早的在顶盖中向右移位,而时序序列中较晚被激活的视网膜神经节细胞则向尾部移位[31]。这一新发现的精细化机制增加了长久以来独立存在的fire-together-wire-together的原则，并且揭示了不仅是视觉场景塑造了视顶盖神经纤维环路，而且时序视的视觉场景被看到。 更稳定更精细的电路还表现为由顶盖神经元表达的固有兴奋性显著降低[15,16,17]。这种内在的兴奋性下降被认为是突触后顶盖神经元在发育阶段44-47（动态时期）和48/49（更稳定期）之间突触驱动水平的自然增加所触发的稳态反应。换句话说，随突触驱动的增加，顶盖神经元的固有兴奋性降低（图2a）。当突触驱动发生显著变化时，这种内在稳态反应在整个电路的发展过程中保持恒定的输入输出函数。为什么维持特点的输入输出函数很重要？因为被维持的特定的输入输出函数允许神经元对它接收到的突触输入量的微小变化做出最灵敏的反应（图2b）。但是任何一个神经元如何“知道”维持这个特定的输入输出功能仍然是一个令人兴奋的问题。然而，根据Ciarleglio及其同事最近的一份报告[17●●]，没一个神经元需要知道这个。在这项研究中，作者发现，只有当所有的突触驱动力和内在兴奋性平均时，突触驱动力和内在兴奋性之间的关系才成立，并且在单细胞水平上，这两个参数基本上没有相关性。证明单个的顶盖神经元不平衡它们的突触输入和特定的输出，但总的来说，电路是平衡的，这表明这个相对简单的电路可能并不那么简单，而且确实指导了新的和更明智的思考神经网络如何运作，特别是具体的输入-输出的方式可以保持。
图二
当突触驱动水平稳定增加时，顶盖神经元内在兴奋性的稳态可塑性保持恒定的输入-输出功能。（a）在发育阶段44–47和48/49之间，给定神经元接收到的突触驱动（红色）量与其内在兴奋性（蓝色）之间存在相互关系：在早期，当顶盖神经元接收到的突触驱动量相对较低时，内在兴奋性相对较高，并且后期，当突触驱动量显著增加时，内在兴奋性降低[15,16permil;，17permil;]。这将在这些开发阶段（水平虚线）中保持一个恒定的输入-输出函数。有趣的是，输入和输出之间的关系在整个视网膜保护电路中是正确的，但在单个神经元的水平上并不存在，这表明了一种平衡活动水平的全电路机制[17bull;bull;]。（b）数据表明，维持的特定输入输出功能（虚线）可优化电路对其接收的突触驱动量轻微变化的敏感性。内在的兴奋性既不是太高也不是太低，它正好适合于它接收的输入范围，最大限度地提高输出的响应能力，使输入发生微小的变化[15]。
光学顶盖内微电路的发展、结构和功能
大多数顶盖神经元对RGC刺激的反应由两个部分组成：一个是最初的单突触部分，这是由于RGC轴突直接与顶盖神经元突触，接着是一个持续时间更长的多突触部分，或者说是反复出现的部分，这是由于激活了顶盖内的局部抑制和兴奋性微电路。与视网膜顶盖电路一样，顶盖内的微电路在发育阶段45和48/49之间进行了细化，其特征是：RGC诱发反应在时间上越来越压缩，并在时间上与单突触反应更紧密地耦合 [32]。诱导尖峰时间依赖塑性可以将45级微电路从未经精细化转变为精细化。在这段时间内，跨顶盖神经元的重复活动的相关性也在增加，并且依赖于视觉驱动的输入，因为在黑暗饲养的蝌蚪中没有观察到它[33]。在视觉处理的背景下，这种电路的确切功能仍然是一个大问题，但并不是因为它还没有被研究过：假定重复活动会给视觉诱发反应增加一个时间成分。事实上，响应RGC刺激而激发的大多数动作电位发生在反应的重复部分[34●●]。众所周知，包含微电路的抑制和兴奋传输量或I/E比的特定平衡对于正确的视觉系统功能是必要的[34●●,35]。强调了抑制性和兴奋性传导的特定平衡的必要性，发现即使通过增强视觉刺激增强抑制性或兴奋性输入，自然发生的环I/E比也保持不变[36●●]。这些结果表明，复发部分的RGC诱发反应在处理视觉刺激中起着核心作用。利用一种新设计的蝌蚪脑切片制备技术，该技术可以对覆盖层最深的体细胞层以外的神经元进行全细胞记录[37●]，研究人员发现，经常性的活动受到居住在最高级体细胞层的兴奋性间隙连接耦合神经元群的控制。阻断这组神经元的输出，或者仅仅是连接它们的缝隙连接，基本上会关闭所有的重复活动[38●●]。其他生理上不同的顶盖神经元群目前正在被识别，并应提供进一步的洞察局部视顶盖微电路的工作。
总之，最近有关视网膜保护电路结构和功能发展的发现有助于深入了解一组神经元如何自我组装成精确的神经电路，以及在神经行为学层面上，视觉刺激如何触发视觉引导行为，接下来将讨论。
视觉回避行为
水生两栖动物的发展——从施肥到室内受精——发生在外部，在包括鱼类、海龟、鸟类和成年青蛙在内的捕食者中间，严重的动机是毫不拖延地发展一个功能性视觉系统。在大约第45阶段，蝌蚪幼体表现出两种基本的视觉引导行为：（1）一种独立于顶盖的光运动反应，它是蝌蚪向光柱运动方向游动的基础；（2）一种涉及视网膜顶盖投射的视觉回避行为。切除顶盖可消除视觉回避行为，而视觉运动反应则保持在触觉状态[28]。这里，我们特别关注视顶盖依赖的视觉规避行为。在本综述涵盖的整个发育阶段（至48/49阶段，受精后约2-3周），蝌蚪从其内部卵黄囊中获得营养，因此此时它们不从事捕食行为。
图三
非洲爪蟾蝌蚪对运动视觉刺激的视觉回避行为。自由移动的蝌蚪在它们的水箱地板上投射着一片运动的圆点。实心黑色箭头表示圆点移动的方向。虚线箭头表示蝌蚪游泳的方向。上面的面板显示了一个蝌蚪显示了一个视觉回避反应，其特征是明显的急转弯和加速，以避免接近的点。显示未能避开移动点的底部面板。注意，当遇到移动点时，蝌蚪不会改变游泳方向或速度。
在实验室中，已经发现7-8天大的蝌蚪在对投射到它们的水箱地板上的移动点作出反应时，表现出基本但稳健的回避行为（图3）。这种行为涉及到游泳方向的突然和明显变化，伴随着速度的爆发。2009年，这种视觉行为被特征化，并被制作成一种测试视觉系统在行为水平上功能的分析方法[28]。研究发现，在44–46（动态）和48–49（更稳定和更精细）阶段，随着视网膜保护电路的改进，性能得到改善。此外，阻止适当精细化的操作也阻止了改进的视觉回避行为，这直接证明视网膜保护电路的突触精细化不仅与改进的行为相关，而且实际上产生了这种现象[28]。哈克林及其同事最近的一项神经行为学研究[34●●●]对刺激质量与相应回避行为之间的关系进行了深入分析。例如，人们发现，一个接近的圆点，相对于一个瞬间出现在蝌蚪视野中的圆点，最有可能引起视觉回避反应，并且这两种不同的刺激激活了顶盖中重复活动的不同模式[34●●]。这表明（1）蝌蚪检测这两种刺激之间的差异，（2）这种检测可以在构造微电路的水平上编码。通过分别调高或调低GABA传输水平，增加或降低微电路内的I/E比率会破坏行为[34●35]，而其他改变正常强度和重复活动模式的操作也会损害视觉引导行为[39,40●41]。这些研究强调了正常视力的循环电路的重要性。视觉回避行为测试已在最近的许多视网膜构造发育研究中得到实施，报告现在包括细胞、电路和行为数据，促进了分子和行为之间功能联系的识别。
表一
关于视觉回避行为和相关机制的报告
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参考文献 |
行为结果 |
所涉及的建议机制 |
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Dong et al. [28] |
蝌蚪的视觉回避行为与顶盖有关。此行为的性能在ST 44到ST 49之间的开发期间得到改善。 |
这种发育过程中行为的改善与构造接受区的锐化有关，并且与NMDA有关。 |
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Lee et al. [39] |
长期接触促炎细胞因子TNF-A会干扰正常视觉引导行为的发展。 |
发育中的突触过早稳定，以及TNF-A治疗导致的复发性活动异常的视网膜保护电路缺乏精细化，可能是导致行为表现下降的原因。 |
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Shen et al. [35] |
增加（使用地西泮）和减少（通过敲除GABA受体的G2亚单位，或表达与G2亚 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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