延长关键期抑制小鼠视觉皮层的双眼匹配及其机制

Amblyopia is a visual disorder that results from unequal visual input across the two eyes, and has been estimated to affect 1-5% in population. There is a critical period for both the induction and treatment of amblyopia. Generally, amblyopia cannot be induced in children above 9 years’ old, and after 8 years’ old, the treatment for amblyopia is extremely difficult. In this case, finding methods to prolong or reopen critical period in adults holds promise for the treatment of amblyopia. However, it is in question whether an ever-lasting critical period can efficiently recover all the dysfunctions caused by amblyopia. It is recently found that amblyopia can cause a number of visual dysfunctions other than vision loss, such as binocular mismatching of orientation preference. Binocular matching of orientation preference is an experience-dependent process in the normal visual circuit development. And in amblyopic animal models, the normal binocular matching process is disrupted. Applicant use both genetic and pharmacological ways to prolong critical period into adulthood in mice visual cortex, and find it affects binocular matching. Both electrophysiological recording and two-photo imaging will be used to find the possible circuitry mechanisms for the phenomenon, with behavioral test to see if the prolonged critical period can cause some functional deficits for the animal visual perception. Using these approaches, applicant can know whether prolong critical period is an optimal treatment for amblyopia, which can provide new ideas for functional rescue during development.

弱视是一种由于双眼的视觉输入不均匀所造成的视觉障碍，估计影响到1-5%的人群。弱视的发生和治疗都有关键期，通常9岁以上儿童就不会再出现弱视，而8岁以后弱视的治疗就会极为困难。因此，寻找成年时期延长或重新开启关键期的方法就有希望治疗弱视。然而，目前还不清楚持续的关键期能否有效地治疗弱视引起的所有功能障碍。最近发现，弱视除了视力下降外，还会引起许多其它视觉障碍，如双眼取向不匹配。双眼取向的匹配是视觉回路发育过程中的一个经验依赖过程。在弱视动物模型中，正常的双眼匹配过程会被中断。申请人采用遗传和药理学的方法，将小鼠视皮层延长至成年期，发现这会影响双眼匹配的成熟。申请人将使用电生理记录和双光子成像的方法找到可能的回路机制，并用行为实验观察延长关键期是否会对动物的视觉感知带来一定的功能缺陷。使用这些方法将可以揭示延长关键期是否是弱视的最佳治疗方法，为治疗视觉发育过程中的功能障碍提供思路。

视皮层的大部分神经元都是双眼神经元，能够同时接收来自两只眼睛的视觉输入，而且每只眼睛的视觉输入都具有一定的方向选择性。在成年小鼠中，视皮层中同一神经元接收来自两只眼睛的视觉输入的朝向趋于一致，这一现象叫做双眼匹配，它是形成立体视觉和深度感知的基础。双眼匹配的建立是一个主动的、经验依赖的发育过程，与正常小鼠发育关键期的时间窗是高度吻合的。在正常的视觉经验下关键期内的可塑性能驱动双眼匹配的完成，而如果在关键期内经历异常的视觉经验则会干扰小鼠的正常双眼视觉，导致在关键期结束之后，双眼的朝向也依旧无法匹配。关键期的提前开启或者皮层加速成熟会引起双眼失配。然而，目前尚未有报道阐明延长关键期会对双眼匹配的正常发育产生怎样的影响。为了回答这一问题，我们通过腹腔注射布美他尼（bumetanide）成功构建了延长关键期的小鼠模型。使用急性在体电生理多通道胞外记录以及分子实验，我们探究了bumetanide小鼠模型在发育过程中不同年龄段双眼匹配的情况，以及这一过程对视觉功能和皮层神经元形态的影响。我们发现bumetanide组小鼠的双眼匹配由于正常关键期后特定的时间窗内（P35-P45）可塑性异常增强而暂时延迟，表明双眼匹配的成熟依赖于关键期的适当关闭。免疫荧光和免疫印迹的实验表明 bumetanide小鼠双眼失配伴随着树突棘密度和突触前后蛋白synatophysin和PSD95表达的增加；可塑性相关因子GluA1蛋白表达的上调以及BDNF蛋白表达的下调；细胞外基质PNN网络结构的减少，但视锐度和立体视觉没有影响。我们进一步分析发现，延长关键期的小鼠在特定时间的双眼失配主要是由假定的兴奋性神经元（broad）所介导的。药理性Diazepam/CPP处理能重新关闭bumetanide延长的关键期，挽救眼优势可塑性和双眼失配。此外，在延长的关键期中经历正常的视觉经验，弱视小鼠就足以完成双眼匹配。相关研究成果发表在Frontiers in Cellular Neuroscience, Neuroscience Bulletin等学术期刊上。