双光子显微成像技术助力揭示海马空间认知功能的发育机制
2025-05-14 来源:本站 点击次数:293
空间认知是动物个体得以生存的一种重要能力，它帮助动物完成导航、记忆以及适应环境等关键任务。空间认知能力既依赖于先天的神经基础，也受到后天学习经验的深刻影响。前人在海马中发现了可以编码空间位置的细胞，在内侧内嗅皮层中发现可以在环境中多个特定位置呈六边形网格状放电的网格细胞，在背侧前下托等脑区发现编码动物头方向信息的头方向细胞头方向细胞等，这些细胞类型为空间认知提供了神经基础。然而，这些细胞在动物出生后的发育早期的功能，其成熟变化的过程，以及发育早期神经网络的功能和变化过程仍有许多未解之谜。
为了进一步解析海马神经元在空间认知功能上的发育机制，实现在大鼠海马神经元层面探索大脑空间认知的原理，作者利用超维景自主研发的高分辨型微型化双光子显微镜（FHIRM-HR），实现了在大鼠海马浅层及深层的神经元成像。
总之，该研究揭示了早期位置细胞和晚期位置细胞的动态发育过程，为我们认识空间认知能力的发育提供了新的视角，为海马功能发育过程中的“先天-后天”相互作用提供了关键证据。
为了进一步解析海马神经元在空间认知功能上的发育机制，实现在大鼠海马神经元层面探索大脑空间认知的原理，作者利用超维景自主研发的高分辨型微型化双光子显微镜（FHIRM-HR），实现了在大鼠海马浅层及深层的神经元成像。
2024年11月21日，南方科技大学生命科学学院神经生物学系陈小菁助理教授团队和中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所王成研究员团队联合在国际著名期刊Nature Communications上发表题为“Early and late place cells during postnatal development of the hippocampus”的研究论文。利用微型化双光子成像技术等研究手段，揭示了海马空间认知功能的发育机制，为探索大脑空间认知“先天-后天”相互作用提供了关键证据。
作者首先利用钙成像技术，对第17天至第28天的幼年大鼠海马CA1脑区进行了长期记录，发现在发育早期就出现了编码空间信息的细胞，称之为早期位置细胞（Early place cells）。作者在线性轨道和开放旷场这两种不同的环境下进行了测试，结果表明早期位置细胞在多个环境中都展现出较高的空间编码能力，并且它们的空间编码能力的高排序在跨天测试中保持一致。然而，与发育晚期和成年动物相比，早期位置细胞的位置场在跨天的稳定性上相对较弱。这一发现暗示早期位置细胞可能构成了初步认知地图的重要基础，为新生个体提供了先天的导航能力。随着发育，更多细胞发育成为位置细胞，称这些细胞为晚期位置细胞。晚期位置细胞的空间编码能力在发育早期迅速增强，而早期位置细胞在发育早期的空间编码能力并没有显著提高。这一发现提示晚期位置细胞可能为个体在后天学习的过程中提供了环境适应的能力。
作者进一步利用微型化双光子显微成像技术，对海马CA1脑区的深层和浅层神经元进行了精细的监测。以往结果显示，CA1 区深层和浅层细胞具有不同的特性和发育起源，因此作者使用双光子成像研究了深层和浅层中早期位置细胞的分布和特性。在3只幼年大鼠出生后的17天到19天，每天进行线性轨道和开放旷场实验范式并同时成像海马脑区，共记录到了2676 个深层细胞和 6073 个浅层细胞。通过计算深层和浅层细胞的基本放电特性，并没有发现存在显著差异，推测放电率差异存在大鼠发育成熟期。且结果显示，早期位置细胞在海马CA1的深层和浅层都存在，但深层细胞的同步性显著高于浅层细胞。
作者首先利用钙成像技术，对第17天至第28天的幼年大鼠海马CA1脑区进行了长期记录，发现在发育早期就出现了编码空间信息的细胞，称之为早期位置细胞（Early place cells）。作者在线性轨道和开放旷场这两种不同的环境下进行了测试，结果表明早期位置细胞在多个环境中都展现出较高的空间编码能力，并且它们的空间编码能力的高排序在跨天测试中保持一致。然而，与发育晚期和成年动物相比，早期位置细胞的位置场在跨天的稳定性上相对较弱。这一发现暗示早期位置细胞可能构成了初步认知地图的重要基础，为新生个体提供了先天的导航能力。随着发育，更多细胞发育成为位置细胞，称这些细胞为晚期位置细胞。晚期位置细胞的空间编码能力在发育早期迅速增强，而早期位置细胞在发育早期的空间编码能力并没有显著提高。这一发现提示晚期位置细胞可能为个体在后天学习的过程中提供了环境适应的能力。
作者进一步利用微型化双光子显微成像技术，对海马CA1脑区的深层和浅层神经元进行了精细的监测。以往结果显示，CA1 区深层和浅层细胞具有不同的特性和发育起源，因此作者使用双光子成像研究了深层和浅层中早期位置细胞的分布和特性。在3只幼年大鼠出生后的17天到19天，每天进行线性轨道和开放旷场实验范式并同时成像海马脑区，共记录到了2676 个深层细胞和 6073 个浅层细胞。通过计算深层和浅层细胞的基本放电特性，并没有发现存在显著差异，推测放电率差异存在大鼠发育成熟期。且结果显示，早期位置细胞在海马CA1的深层和浅层都存在，但深层细胞的同步性显著高于浅层细胞。
总之，该研究揭示了早期位置细胞和晚期位置细胞的动态发育过程，为我们认识空间认知能力的发育提供了新的视角，为海马功能发育过程中的“先天-后天”相互作用提供了关键证据。
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