发育过程中小鼠听皮层2/3层邻近神经元频率选择异质性的变化及环路机制

Functional heterogeneity of nearby cortical neurons has been widely observed from multiple sensory systems, and was considered as a critical role in the processing of sensory information in cortex. Frequency selectivity is one of the most fundamental basis of auditory information processing. Several recent works have reported the heterogeneity of frequency selectivity in auditory cortex but very little is known about the underlying mechanism, especially the change and circuitry mechanisms of functional heterogeneity during development. Answering this question is important to better understand the formation and physiological significance of functional heterogeneity. In our preliminary experiment, it is found that the heterogeneity of nearby neurons in layer2/3 significantly increased after the critical period in mice auditory cortex but not in layer4. This suggests that the heterogeneity of frequency selectivity is generated by the integration of synaptic inputs with different frequency characteristics during development. With the employment of key techniques such as in vivo micro endoscope and in vivo patchclamp, this project will investigate the heterogeneity of frequency selectivity in layer2/3 of mice auditory cortex during development which can provide new experimental evidence and insights for understanding the origin and circuitry mechanism of functional heterogeneity.

皮层中邻近神经元的功能异质性是一种在多感觉系统中普遍存在的现象，被认为在感觉信息的皮层加工中发挥了重要的作用。频率选择性则是听觉信息处理最重要的基础，近年多项研究对听皮层中频率选择的异质性进行了报道，但其产生机制仍然不明。尤其是频率选择异质性在发育过程中的变化规律及环路机制更知之甚少，而阐明这一问题对理解异质性在听皮层中的形成及生理功能具有重要意义。我们在小鼠听皮层中的预实验结果发现：2/3层中邻近神经元对频率选择的异质性在发育关键期后显著增高，而4层中则没有明显变化。提示在发育过程中，2/3层中的邻近神经元从皮层环路中接受到了不同频率特征的突触输入并最终产生了频率选择异质性。本课题拟以小鼠听皮层2/3层神经元为研究对象，结合微内窥镜镜成像，在体膜片钳等关键性技术对听皮层异质性及机制进行研究，以期为阐明发育过程中小鼠听皮层2/3层邻近神经元频率选择异质性的变化及环路机制提供新的实验证据。

皮层中邻近神经元的功能异质性被认为是感觉信息加工中的重要特征和结构功能基础，但其在发育过程中的变化规律长期不明。在本项目开展过程中，我们围绕“何时产生”“如何产生”“有何意义”等一系列关键问题对其进行了研究。首先，我们发现功能异质性产生在小鼠听皮层的发育过程中存在关键期，其出现时间点（P15）略晚于经典的听力发育关键期（P13）。这种功能异质性的改变，一方面体现在其频率选择性上，另一方面则体现在其对声响应的潜伏期上。两者共同提示在发育关键期开始后，突触的形成和可塑性改变在功能异质性的塑造中起到了关键作用。围绕其产生机制，我们进一步对其形成的突触及环路特点进行了研究。一方面，我们发现不同层神经元的功能异质性存在明显差异：L2/3神经元的功能异质性显著高于L4/6；另一方面，位于初级听皮层前级的内侧膝状体中神经元功能异质性较低。这两方面的结果共同提示听皮层内微环路是产生邻近神经元功能异质性的重要因素，但具体是兴奋性还是抑制性微环路更为关键尚有待进一步继续研究。从功能意义角度，我们对比了正常组小鼠和听力异常组小鼠之间在发育过程中听皮层神经元异质性的差异。结果提示两种动物在发育过程中都发生了了异质性从弱到强的变化，但听力异常组小鼠听皮层内的异质性显著低于健康对照组小鼠。这提示功能异质性不仅仅是一种结构功能特点，还与正常听觉功能之间具有紧密联系。本项研究不仅从多个角度解析了小鼠听皮层邻近神经元频率选择异质性的产生及环路机制，还提出了一种联系功能异质性与生理功能的新观点。