雙光子顯微成像技術助力揭示海馬空間認知功能的發(fā)育機制
空間認知是動物個體得以生存的一種重要能力，它幫助動物完成導航、記憶以及適應環(huán)境等關鍵任務。空間認知能力既依賴于先天的神經(jīng)基礎，也受到后天學習經(jīng)驗的深刻影響。前人在海馬中發(fā)現(xiàn)了可以編碼空間位置的細胞，在內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層中發(fā)現(xiàn)可以在環(huán)境中多個特定位置呈六邊形網(wǎng)格狀放電的網(wǎng)格細胞，在背側(cè)前下托等腦區(qū)發(fā)現(xiàn)編碼動物頭方向信息的頭方向細胞頭方向細胞等，這些細胞類型為空間認知提供了神經(jīng)基礎。然而，這些細胞在動物出生后的發(fā)育早期的功能，其成熟變化的過程，以及發(fā)育早期神經(jīng)網(wǎng)絡的功能和變化過程仍有許多未解之謎。
為了進一步解析海馬神經(jīng)元在空間認知功能上的發(fā)育機制，實現(xiàn)在大鼠海馬神經(jīng)元層面探索大腦空間認知的原理，作者利用超維景自主研發(fā)的高分辨型微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-HR），實現(xiàn)了在大鼠海馬淺層及深層的神經(jīng)元成像。
總之，該研究揭示了早期位置細胞和晚期位置細胞的動態(tài)發(fā)育過程，為我們認識空間認知能力的發(fā)育提供了新的視角，為海馬功能發(fā)育過程中的“先天-后天”相互作用提供了關鍵證據(jù)。
為了進一步解析海馬神經(jīng)元在空間認知功能上的發(fā)育機制，實現(xiàn)在大鼠海馬神經(jīng)元層面探索大腦空間認知的原理，作者利用超維景自主研發(fā)的高分辨型微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-HR），實現(xiàn)了在大鼠海馬淺層及深層的神經(jīng)元成像。
2024年11月21日，南方科技大學生命科學學院神經(jīng)生物學系陳小菁助理教授團隊和中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所王成研究員團隊聯(lián)合在國際著名期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Early and late place cells during postnatal development of the hippocampus”的研究論文。利用微型化雙光子成像技術等研究手段，揭示了海馬空間認知功能的發(fā)育機制，為探索大腦空間認知“先天-后天”相互作用提供了關鍵證據(jù)。
作者首先利用鈣成像技術，對第17天至第28天的幼年大鼠海馬CA1腦區(qū)進行了長期記錄，發(fā)現(xiàn)在發(fā)育早期就出現(xiàn)了編碼空間信息的細胞，稱之為早期位置細胞（Early place cells）。作者在線性軌道和開放曠場這兩種不同的環(huán)境下進行了測試，結(jié)果表明早期位置細胞在多個環(huán)境中都展現(xiàn)出較高的空間編碼能力，并且它們的空間編碼能力的高排序在跨天測試中保持一致。然而，與發(fā)育晚期和成年動物相比，早期位置細胞的位置場在跨天的穩(wěn)定性上相對較弱。這一發(fā)現(xiàn)暗示早期位置細胞可能構(gòu)成了初步認知地圖的重要基礎，為新生個體提供了先天的導航能力。隨著發(fā)育，更多細胞發(fā)育成為位置細胞，稱這些細胞為晚期位置細胞。晚期位置細胞的空間編碼能力在發(fā)育早期迅速增強，而早期位置細胞在發(fā)育早期的空間編碼能力并沒有顯著提高。這一發(fā)現(xiàn)提示晚期位置細胞可能為個體在后天學習的過程中提供了環(huán)境適應的能力。
作者進一步利用微型化雙光子顯微成像技術，對海馬CA1腦區(qū)的深層和淺層神經(jīng)元進行了精細的監(jiān)測。以往結(jié)果顯示，CA1 區(qū)深層和淺層細胞具有不同的特性和發(fā)育起源，因此作者使用雙光子成像研究了深層和淺層中早期位置細胞的分布和特性。在3只幼年大鼠出生后的17天到19天，每天進行線性軌道和開放曠場實驗范式并同時成像海馬腦區(qū)，共記錄到了2676 個深層細胞和 6073 個淺層細胞。通過計算深層和淺層細胞的基本放電特性，并沒有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異，推測放電率差異存在大鼠發(fā)育成熟期。且結(jié)果顯示，早期位置細胞在海馬CA1的深層和淺層都存在，但深層細胞的同步性顯著高于淺層細胞。
作者首先利用鈣成像技術，對第17天至第28天的幼年大鼠海馬CA1腦區(qū)進行了長期記錄，發(fā)現(xiàn)在發(fā)育早期就出現(xiàn)了編碼空間信息的細胞，稱之為早期位置細胞（Early place cells）。作者在線性軌道和開放曠場這兩種不同的環(huán)境下進行了測試，結(jié)果表明早期位置細胞在多個環(huán)境中都展現(xiàn)出較高的空間編碼能力，并且它們的空間編碼能力的高排序在跨天測試中保持一致。然而，與發(fā)育晚期和成年動物相比，早期位置細胞的位置場在跨天的穩(wěn)定性上相對較弱。這一發(fā)現(xiàn)暗示早期位置細胞可能構(gòu)成了初步認知地圖的重要基礎，為新生個體提供了先天的導航能力。隨著發(fā)育，更多細胞發(fā)育成為位置細胞，稱這些細胞為晚期位置細胞。晚期位置細胞的空間編碼能力在發(fā)育早期迅速增強，而早期位置細胞在發(fā)育早期的空間編碼能力并沒有顯著提高。這一發(fā)現(xiàn)提示晚期位置細胞可能為個體在后天學習的過程中提供了環(huán)境適應的能力。
作者進一步利用微型化雙光子顯微成像技術，對海馬CA1腦區(qū)的深層和淺層神經(jīng)元進行了精細的監(jiān)測。以往結(jié)果顯示，CA1 區(qū)深層和淺層細胞具有不同的特性和發(fā)育起源，因此作者使用雙光子成像研究了深層和淺層中早期位置細胞的分布和特性。在3只幼年大鼠出生后的17天到19天，每天進行線性軌道和開放曠場實驗范式并同時成像海馬腦區(qū)，共記錄到了2676 個深層細胞和 6073 個淺層細胞。通過計算深層和淺層細胞的基本放電特性，并沒有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異，推測放電率差異存在大鼠發(fā)育成熟期。且結(jié)果顯示，早期位置細胞在海馬CA1的深層和淺層都存在，但深層細胞的同步性顯著高于淺層細胞。
總之，該研究揭示了早期位置細胞和晚期位置細胞的動態(tài)發(fā)育過程，為我們認識空間認知能力的發(fā)育提供了新的視角，為海馬功能發(fā)育過程中的“先天-后天”相互作用提供了關鍵證據(jù)。
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雙光子顯微成像
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