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视网膜中早期视觉运动经验依赖的可塑性
发布日期:2020-06-14    浏览次数:91

2020325日和2020612日《PLOS Biology》和《Journal of Neuroscience》期刊分别在线发表了题为《早期视觉运动经验塑造视网膜方向选择性神经节细胞间的缝隙连接》和《早期视觉运动经验提高视网膜的运动方向编码能力》的研究论文,该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心的张翼凤研究组独立完成。这两项工作首次证明视网膜神经节细胞在发育早期具有相当程度的可塑性。 

可塑性对神经系统正常行使功能至关重要。个体发育到一定阶段,大脑开始从感觉器官获取外界信息,并根据这些信息强化有意义的连接,消除冗余的连接,以便更高效地对外界刺激做出恰当的回应,因此这一阶段内神经元表现出较高的可塑性。如果在该发育阶段改变外界环境刺激,则会导致神经系统功能的变化。以小鼠视觉为例,如果在小鼠睁眼前缝合眼皮,阻断视觉刺激的输入,则会导致初级视觉皮层的眼优势柱、方向选择性和方位选择性等基本反应特性出现问题;如果在小鼠视觉皮层发育的关键期提供丰富的环境,则可以加速眼优势柱等功能的建立,甚至可以弥补部分遗传导致的功能缺陷,比如基因敲除导致的拓扑投射缺陷可以得到改善。前人用这种改变的视觉刺激对视觉系统的发育进行了大量的研究,但主要是以视觉皮层为研究对象,很少有人认为视觉的感受器官——视网膜,也会表现出可塑性,能被外界刺激所改变。那么,视网膜中的神经元能否被外界视觉刺激所改变? 

该研究在小鼠出生10天到35天期间给予不同运动朝向的视觉刺激,使用多通道电极阵列、单通道和双通道全细胞膜片钳等方式,记录并分析了视网膜中给光-撤光型方向选择性神经节细胞(ON-OFF DSGCs)的反应,发现该类细胞有两个方面的显著改变。其一是这类细胞对运动刺激方向的编码能力显著提高。只要视觉经验训练中包含充分的运动刺激,不管是什么方向的运动刺激,均可使得ON-OFF DSGC对所有运动方向的编码能力有显著提高。进一步研究发现,ON-OFF DSGCs接收的兴奋性输入在训练后变得更稳定,这使得它们对视觉运动刺激的反应稳定性增强,从而提升了它们对运动方向编码的准确性。其次,偏好朝上运动的ON-OFF DSGCs间具有缝隙连接,而该连接的强度可被向上运动的经验训练增强,而被向下运动的经验训练削弱。缝隙连接与细胞间的同步发放联系紧密。该研究证明,运动经验训练期间的同步发放越强,对缝隙连接的提升越明显,具有明显的Hebbian可塑性特征。运动经验训练在这两方面的影响均长期存在,不被后期视觉经验的改变所影响。 

 

图注:左:视觉运动经验训练示意图。右上,偏好朝上运动的ON-OFF DSGCs之间的缝隙连接比例与强度与视觉经验训练的方向高度相关。右下,ON-OFF DSGCs对运动方向的编码能力提升与视觉经验训练的方向无关。    

这两项工作首次证明,视网膜神经节细胞的反应可以被丰富的运动刺激所改变,并长期维持;表明在发育早期,视网膜功能具有相当程度的可塑性;丰富了对经验依赖的可塑性的理解,提示其在包括感觉器官在内的神经系统很可能普遍存在。研究结果为后期探索环境刺激如何改变视网膜环路提供了基础,并有助于利用早期感觉经验训练对一些感觉系统疾病进行辅助治疗的探索。 

该研究在张翼凤研究员的指导下主要由博士研究生张黎完成,博士生吴启文也做了重要贡献,本项目得到上海市及中组部的资助。