大家好，今天与大家分享的是一篇今年发表在Cell Reports上的文章，题为“A developmental critical period for ocular dominance plasticity of binocular neurons in mouse superior colliculus”。这篇文章证明了小鼠上丘SC中双眼神经元存在眼优势可塑性关键期，并且揭示了其调控机制。

研究背景：

    在动物出生后早期发育期间，初级视觉皮层（V1）的眼优势（OD）可塑性是被研究的最透彻、表征最充分的可塑性模型之一。眼优势可塑性被普遍认为只发生在皮层水平上。上丘（SC）是主要负责眼球运动控制、多感官整合和感觉运动转换的中枢。大约80%投射dLGN的视网膜神经节细胞（RGC）也将轴突侧支发送到SC,这为SC的双眼反应和眼优势可塑性提供了神经学基础。然而目前对哺乳动物SC眼优势可塑性的研究却很少。

科学问题：

    小鼠上丘（SC）双眼神经元在早期发育中是否存在眼优势可塑性的关键期？若存在，其机制是什么？

内容简述：

    首先为了检测小鼠SC神经元对视觉信号刺激反应的眼特异性，作者通过给出生后第 28 天（P28）的小鼠单眼施加不同方向全视野漂移的光栅 （1.5 s），同时采用 16 通道硅探针对小鼠的SC进行在体电生理记录的方法，检测到SC存在大量可以对两眼视觉刺激都有响应的细胞，即双眼神经元。作者在V1双眼区也进行了同样的记录，并计算了SC 和 V1 双眼神经元的眼优势（OD ocular dominance），获得对侧偏好指数 (contralateral bias index，CBI值)。作者发现V1的CBI值与文献报道相一致，而SC则表现出了比V1更强的对侧偏向性。

    随后作者进一步探究SC双眼神经元是否与V1的双眼神经元类似，即在发育过程中也受到视觉经验的调节。为了探究这一点，作者对眼优势发育关键期（P28）的小鼠进行了不同时长的单眼剥夺（monocular deprivation，MD)，然后给予全视野漂移的光栅作为视觉信号刺激，同时对SC双眼神经元进行了电生理记录。作者发现 2 天的单眼剥夺几乎没有影响 SC的CBI值，而在4天和8天的单眼剥夺后，SC的眼优势显著地向同侧眼移动，同时 CBI 显著下降。这表明在小鼠出生后早期发育期间SC也具有眼优势可塑性。

    由于动物成年后视皮层可塑性的降低，对于成年小鼠，通过更长时间（大于4天）的单眼剥夺才能诱发眼优势的偏移。为了探究SC中是否也是如此，作者测试了不同时长单眼剥夺（2、4和8天）对成年小鼠（P60）SC眼优势的影响。结果发现8天单眼剥夺显著地使SC的眼优势产生了偏移，使之偏向未剥夺眼，而短暂的单眼剥夺（2天或4天) 则没有。同时作者还发现SC关键期开启与关闭的时间与V1关键期高度重合。

    至此，作者发现了SC同样具有眼优势可塑性，且其关键期时间上与V1高度重合，接下来作者进一步探究了SC眼优势可塑性的机制。

    由于树突棘形态转变是突触可塑性的结构基础，因此作者观察了小鼠SC在关键期中双眼神经元树突棘形态的变化情况。根据统计，作者发现随着取样小鼠年龄的增加，SC树突棘中与被认为是不成熟状态的瘦长型（Thin Spines）与丝状伪足型（Filopodia-like Spines）均出现了减少；而代表成熟神经元的蘑菇型（Mushroom-like Spines）与短粗型（Stubby Spines）则出现了增加。这反应了SC的可塑性与V1可塑性类似，都随着年龄上升而下降。

    由于V1第五层具有投向SC的投射，同时V1的关键期与SC高度重合，那么SC的关键期是否是由V1到SC的投射所驱动？为了验证这一假设，作者首先在 SC 中注射了带有 Alexa Fluor 594 偶联（CTB594）的霍乱毒素亚基 B，在V1中逆行标记出了投向SC的神经元；然后通过给予GABA受体激动剂（抑制性神经递质，可以暂时抑制神经活动）以及兴奋性毒性病变（通过过度刺激神经元导致细胞死亡）两种方式灭活了所记录SC同侧的V1。然而，作者发现在这两种处理下单眼剥夺小鼠的SC双目细胞的CBI都并不受给药的影响，这表明SC的关键期是独立于V1的。

    周围神经元网（PNN）是限制皮层可塑性的关键结构。透明质酸酶（Hya）被发现可以降解V1区PNN从而提高V1可塑性。为了探索PNN是否也是限制成年小鼠SC眼优势可塑性的关键因素，作者将透明质酸酶（Hya）递送至P60小鼠SC。然而，Hya处理并没有提高成年小鼠SC的眼优势可塑性：在4天的单眼剥夺后，SC的CBI值与对照组小鼠相比没有显着差异。

    为了进一步探究SC关键期形成的机制，作者把目光移向了另外一个被认为与V1可塑性紧密相关的因素：NMDA受体（主要包含NR2A和NR2B两种亚基），它们在神经可塑性中扮演着重要角色。NMDA受体是一类特殊的谷氨酸受体，对于学习和记忆的形成至关重要。

    为了了解SC关键期中NMDA受体亚基组成的变化，作者通过对不同年龄小鼠（P13、P28、P60）的SC组织进行Western Blot蛋白免疫印迹分析，发现在SC中，NR2A表达水平从P13到P28持续增加；而NR2B则在P13表达达到顶峰并开始逐渐下降，并在整个成年期保持在较低水平。为了进一步探究这种现象的意义，作者使用了NMDA受体拮抗剂CPP、NR2A拮抗剂TCN 201和NR2B拮抗剂Ro 25-6981来进行loss of function验证。作者在P28 (眼优势发育关键期)开始每天给药，同时对小鼠进行4天单眼缝合，在4天后，即P32检测小鼠的眼优势偏移情况。作者发现三种拮抗剂均不同程度的减轻了MD带来的偏移，尤其是CPP，这表明NMDA受体是调节SC关键期的重要因素。

    因为SC是小鼠的掠食性狩猎所依赖的重要核团，而弱视小鼠的狩猎行为往往比正常小鼠更加困难。为了测试NMDA受体拮抗剂是否可以改善单眼剥夺所诱发的弱视所造成的狩猎困难，作者对关键期小鼠SC先注射NMDA受体拮抗剂，再对小鼠进行四天的单眼缝合，随后进行狩猎测试。作者发现给予小鼠这些药物处理会显著减少单眼剥夺后小鼠狩猎潜伏时长以及捕获距离，这都表明给予上述药物处理可以降低单眼剥夺对关键期小鼠视力的损伤，预防由单眼剥夺导致的捕食效率的降低。

总结展望：

    综上，该研究报道了SC双眼神经元的眼优势可塑性，揭示了SC眼优势可塑性与V1眼优势可塑性的异同及其内在机制，并进一步探究了SC眼优势在捕食行为中的作用。该研究从分子、细胞、环路及行为学多个水平阐述了SC这一皮层下视觉中枢在弱视进程中可能存在的作用及其机制。

作者介绍：

    该工作通讯作者为复旦大学脑科学研究院的顾宇研究员与天津市眼科医院史学锋主任。顾宇研究员长期致力于探究视觉-运动转换环路的调控机制，为弱视的治疗和视觉功能的改善提供方法。其研究阐述了视觉经验调控双眼神经元反应的变异性和稳定性的机制。相关研究发表于Neuron, Cell Rep, eLife等杂志。史学锋主任从事眼科临床工作22年，临床经验丰富，擅长斜视、弱视、眼球震颤及小儿眼科相关疾病的诊治。对各种复杂性斜视的手术设计具有独特见解。相关研究成果发表于Nature Neuroscience, Cell Rep等杂志。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.113667

注：本文仅为作者个人解读，如有纰漏，请参照原文。

撰稿：项门们

审核：刘嵘

编辑：成美君