Science | 嗅觉感受器驱动体感功能发育_

INTRODUCTION

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研究介绍

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研究背景

Background

嗅觉属于人类五大感官之一，是我们最常视为理所当然的感觉，作为哺乳动物进化中最古老的感觉，嗅觉与躯体感觉一起，在听觉和视觉通路开始与大脑接触之前，对新生儿的健康起到至关重要的影响。

2024年5月9日，瑞士苏黎世大学Theofanis Karayannis教授团队在顶刊《Science》上发表了相关研究的最新文章。（图1）

研究意义

Significance

研究的立意在于，研究人员猜测小鼠鼻腔化学感觉可能对皮层活动和体感觉系统有更强的影响，这种影响发生在其他感觉模式参与多感觉处理以及高阶皮层区域被纳入电路动力学之前。

通过对小鼠的解剖和功能研究，研究人员发现出生后第一周内，嗅觉驱动的活动扩散到大部分的大脑皮层，并增强了初级胡须体感皮层（wS1）的胡须触发激活效应。这种效益在动物成年后消失，这与嗅觉皮层到wS1的兴奋性连接丧失相一致。通过对新生小鼠进行嗅觉剥夺，然后在成年小鼠中进行电生理和行为研究，研究人员确定了一个关键的短暂调节期，即通过鼻化学感觉信息对wS1的感官驱动动力学和触觉进行发育调节。这项工作揭示了一个跨模态的关键性窗口，即触觉功能的成熟是嗅觉依赖性的。

METHODS

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研究方法

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解剖学方法

Anatomy

通过使用逆行示踪病毒（如AAV-CAG-EGFP-retro）和化学染色剂来追踪和标记神经元连接。这些方法可以用于确定嗅皮质与初级触须体感皮层之间的长程连接，并观察这些连接在发育过程中的变化。

功能性方法

Functional

通过急性跨颅宽场钙成像实验和多电极记录来观察气味刺激引起的神经元活动。这些方法可以用于检测气味信息在新生儿和成年小鼠中的传播和处理。

行为学方法

Behavioral

通过硅探针记录和多感觉刺激来观察气味对触须激发活动的影响。这些方法可以用于探究气味对触觉处理的影响，以及气味剥夺对成年小鼠触觉发育的影响。

FINDINGS

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研究发现

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气味诱发的信息传播

在成年小鼠中，气味信息从嗅球(OB)传播到嗅皮质，但其在新生小鼠中的路径尚不清楚。因此，研究人员首先研究了在听觉和视觉信息接触皮层的之前和之后，气味诱发活动在背外侧运动前皮层以及初级体感区的进展。

研究人员让小鼠在突触体相关蛋白25 (Snap25)启动子(Snap25- 2a -GCaMP6- D)的作用下，在所有脑神经元中表达钙指示剂(GCaMP6)，随后在postnatal day 3 (P3) 至P7和P23至P40处进行了急性经颅宽场钙成像实验。

空气或气味(2-庚酮或薄荷)通过特定的气味传递系统传递到小鼠的鼻孔。通过测量钙指示剂(ΔF/F)的荧光变化，发现气味信息在新生儿中传播到大部分皮层，而在成年小鼠中仅传播到有限的区域。在分析wS1的信号时，发现气味是导致其激活的原因，在成年小鼠中，反而具有抑制作用。（图2）

随后，研究人员使用相同的气味刺激模式在OB和wS1同时进行了体内多电极记录。通过分析胡须刺激下的局部场电位(LFP)和电流源密度(CSD)分布，确定了wS1的不同皮层分层。发现是气味导致了LFP的下降，并因此激发了新生小鼠的wS1，而没有引起峰值活动。相比之下，成年动物的wS1的任何层中，空气和气味刺激在LFP或多单位活动(MUA)方面没有差异。这些结果进一步表明鼻腔化学感觉信息在新生儿中传播到wS1，诱导阈下激活，这一现象在成年小鼠中不存在。（图3）

②

气味信息刺激新生小鼠的wS1

由于观察到气味刺激对wS1的影响是阈下的，研究人员接着探索了气味刺激对wS1中胡须诱发活动的影响。

研究人员模拟了一个自然的场景，先后刺激嗅觉和胡须系统。新生小鼠宽视场钙成像显示，与变相的单独胡须刺激相比，气味-胡须联合感觉刺激引起wS1钙活性显著提高。这种超线性气味增强效应(OEE)表明，wS1中处理新生儿的气味和胡须信息的是相同神经元。

研究人员又使用硅探针，对麻醉和清醒的P3至P7小鼠的wS1进行记录。MUA分析显示，气味刺激增强了新生小鼠皮层L2-3层和L4层的胡须诱发活动。在P23至P40的成年小鼠中，宽视场钙成像和硅探针记录未显示wS1的OEE，但在L5峰后期观察到抑制作用。与成年小鼠的MUA结果一致，spike-sorting分析显示，与Air+W刺激相比，Odor+W刺激下调的神经元更多。实验表明，在小鼠出生后的第一周，气味诱导的动作可以达到wS1，并增强其胡须诱发的激活。但这种兴奋的跨模态气味-胡须相互作用是短暂的，在成年小鼠中消失。（图4）

③

嗅觉和wS1之间的短暂发育联系

随后，研究人员重点关注新生小鼠嗅觉皮层和wS1之间潜在的远程连接，以挖掘瞬态OEE的潜在基础。在wS1中注射了逆行腺相关病毒(AAV-CAG-EGFP-retro)，其中的EGFP是增强的绿色荧光蛋白，并在功能检查的两个发育时间点(P3至P7和P23至P40)评估了进行中的连接。在wS1的P0至P1阶段注射AAV，并对P6至P7阶段的组织进行分析后，可以在嗅觉皮层[前梨状皮质(APC)、后梨状皮质(PPC)和外侧鼻内皮层(LEC)]中观察到GFP标记的神经元。相同条件的成年小鼠，只有在LEC中观察到少量荧光标记的神经元。（图5）

通过对P3和P7小鼠注射病毒，再分析P10和P13的组织，检测这些连接丢失的时间过程。发现从出生后第一周到成年，梨状皮质(APC和PPC)的神经元比例急剧下降至几乎为零。LEC中神经元的比例随着年龄的增长44.71%增加到98%。因此，在出生后的前3周，梨状皮质与wS1的连通性发生了最大的变化。研究人员还使用更快的逆行化学染料示踪剂重复连接映射，显示梨状皮质到wS1的连接在P15时消失。总体追踪结果显示，梨状皮质到wS1的远程连接在出生后第一周出现，在出生后第二周结束时消失。相比之下，从LEC到wS1的连接在测试的各个年龄段都保持不变。

随后研究了梨状皮质与wS1之间连通性逐渐丧失的原因。在P1和P4时在wS1中注射逆行的AAV-GFP或荧光金，在P22和P26时分别检测。对这些时间点的组织分析显示，所有嗅觉皮质区域的神经元数量都减少了。这些结果表明，发育性的连通丧失是由于wS1-梨状神经元在出生后的前2周内的发育性细胞死亡，并不仅仅是轴突连接丧失。（图6）

④

OEE的消失

接下来评估了提供这种连接的神经元类型。

考虑到在出生后的第一周内，由于膜转运蛋白KCC2的缺失和氯离子浓度梯度的差异，γ-氨基丁酸释放(GABAergic)神经元可以诱导兴奋而非抑制。选用tdTomato标记了所有GABA能神经元(Dlx6Cre-Ai14系)的小鼠，在P3时向wS1注射荧光金，并分析P7的组织，发现梨状皮质中没有荧光金阳性神经元与tdTomato共标记。这表明梨状皮质中投射wS1的神经元是非GABA能神经元。

接下来测试了局部wS1 GABA能神经元是否参与新生儿OEE。在P3至P7小鼠的wS1中应用GABAA受体拮抗剂(gabazine)，同时进行硅探针记录和多感觉刺激。gabazine的应用增加了wS1中单独刺激胡须诱发的活性，但在L2-3或L4中都没有消除OEE。这些结果表明，GABAA受体在wS1出生后第一周内介导了体内的整体抑制作用，而不介导新生小鼠观察到的OEE。因此，实验表明，谷氨酸能梨状神经元对wS1的兴奋性输入可能是OEE的关键。此外，研究人员在体外全细胞膜片钳模式下观察到的结果与gabazine的体内实验一致。

进一步验证这一结果，研究人员在新生小鼠的梨状皮质中注射了河豚毒素（TTX），以阻断动作电位，从而急性沉默了嗅觉梨状皮质的活动，结果发现wS1中由气味和触须刺激引起的响应减弱。结果表明，直接从梨状皮质到wS1的谷氨酸能输入驱动了新生小鼠wS1中的OEE。（图7）

⑤

剥夺新生小鼠嗅觉导致成年小鼠体感觉缺陷

研究人员将新生小鼠一侧鼻孔阻塞一周，并进行了成年小鼠的硅探针记录。结果发现，早期（P0-P1）阻塞小鼠在wS1上层（L2-3和L4）的神经动态范围较小。

进一步的行为学实验表明，早期阻塞的成年小鼠在触须基础的纹理区分任务中表现较差，尤其是在使用受嗅觉剥夺影响的触须时。

这些结果表明，早期生活中的鼻化学感觉信息对于设置wS1上层的正确触须驱动神经动态尖峰范围至关重要。（图8）

DISCUSSION

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研究讨论

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在本次研究中，研究人员发现在嗅觉和体感初级皮质区域之间的短暂连接具有强烈的相互作用，在整套感官发育之前，这是体感发育敏锐性的关键节点。

研究不仅揭示了哺乳动物大脑中动态发育的跨模态相互作用的存在，还强调了嗅觉在哺乳动物大脑中与多感觉模式交互作用的动态发育过程中发挥的初级作用，以及其在感觉处理成熟中的关键角色。

参考文献

[1] Linbi Cai et al.A nasal chemosensation–dependent critical window for somatosensory development.Science384,652-660(2024).DOI:10.1126/science.adn5611

PROFILE

Theofanis Karayannis

神经科学副教授和脑研究所联合主任。他在希腊雅典大学学习药学，并在英国牛津大学MRC解剖神经药理学部门完成了关于皮质中间神经元的博士论文。