Hollis Cline博士是多里斯神经科学中心（Dorris Neuroscience Center）的主任，隶属于斯克里普斯研究所（TSRI）。她领导的研究团队专注于感觉体验如何影响视觉回路的发育、功能和可塑性，以及神经发育障碍中回路发育和功能的破坏机制。

思想领袖系列：来自世界领先专家的洞察力

问：在您的研究之前，人们对大脑回路的发展有多少了解？您的研究如何提高了我们的理解？

答：关于大脑回路的发展已有大量研究。我们的工作灵感来自50多年前哈佛大学的Hubel和Wiesel的实验，他们因此获得诺贝尔奖，并激发了过去50-60年的许多后续研究。我们发现了更多细胞机制，揭示感觉体验如何影响神经元的生长及其与回路内其他神经元的连接。我们发现这些事件在大脑发育过程中比我们先前想象的要早发生。

问：您能概述一下您使用的活体时间推移成像技术吗？

答：活体时间推移成像实验对我们实现这一发现至关重要。我们使用青蛙蝌蚪作为实验动物，它们在发育早期是透明的，且在体外发育，便于观察。我们表达来自水母的天然荧光蛋白，在蝌蚪的单个脑细胞中表达，从而观察活体蝌蚪脑内神经元的形态。我们麻醉蝌蚪，将其置于显微镜下拍摄图像，然后让动物苏醒并游动以获得自然视觉体验，之后再次拍摄同一神经元的图像。每次拍摄时，我们将动物置于黑暗或无视觉刺激的环境中，或置于有视觉刺激的环境中（我们称之为“蝌蚪迪斯科”）。通过分析随时间变化的神经元图像，我们观察神经元形态是否因视觉体验或黑暗而改变。我们预期神经元在黑暗期基本不变，而因视觉体验生长。但发现抑制性神经元对视觉体验和黑暗的反应与兴奋性神经元不同。

问：外界刺激对神经元早期发育有什么作用？

答：我们原本期望视觉刺激会增加大脑连通性，而黑暗则不会。但发现抑制性神经元实际上分为两类：一类在黑暗中连接更强，另一类在光照后连接较弱。这完全出乎意料，暗示了新的机制。进一步研究发现，这两类抑制性神经元对兴奋性神经元具有“推拉”功能，即维持兴奋性神经元的活性平衡。

问：您对抑制神经元在发育回路中如此早地发挥功能感到惊讶吗？

答：是的，这是另一个意外发现。许多研究预期抑制神经元在脑发育较晚阶段才发挥特殊作用，但我们发现它们的作用比预期早得多。通常，神经元可根据形态、基因和蛋白质表达分为不同类别。但当我们观察所有神经元时，兴奋性和抑制性神经元看起来完全相同，无法通过常规参数区分。唯一区分它们的方式是对视觉刺激的反应：抑制性神经元在黑暗中生长更多，在视觉刺激下生长更少。这得益于我们收集的活体时间推移图像，即神经元连接如何随视觉刺激变化的“电影”。

问：您在动物模型中的研究结果是否可能适用于人类？

答：动物模型中发现的脑发育一般原理已在人类中得到证实。人类大脑更复杂，但基本机制相似。关键点是，我们观察到的脑发育阶段比人类可观察到的更早，因此尚不清楚这些事件是否发生在人类胎儿发育早期。但基本原理具有参考价值。

问：如果研究结果属实，这对治疗神经系统疾病有什么影响？

答：有两种神经障碍可能受益：一是围产期脑损伤。研究表明感觉体验有助于康复或正常发育。例如，弱视（懒惰眼）的治疗方法——遮盖好眼，迫使弱眼工作，从而建立连接。类似原理可用于帮助大脑从损伤中恢复，或通过感觉体验修复连接异常。

问：需要进一步研究来了解神经元的身份是否由经验驱动吗？

答：目前研究定义了神经元身份（兴奋或抑制）包括多种特征，如基因和蛋白质表达。当动物有感觉体验时，数百种基因和蛋白质在神经元中发生变化。了解这些分子及其在细胞内的作用如何帮助视觉反应连接性，是一个需要更多研究的巨大领域，有助于理解大脑活动如何促进连接形成。

关于Hollis Cline博士

Cline博士在布林莫尔学院获得生物学学士学位，在加州大学伯克利分校获得神经生物学博士学位。她在耶鲁大学和斯坦福大学医学中心完成博士后工作，后在冷泉港实验室建立实验室。2008年，她加入斯克里普斯研究所，领导实验室研究感觉体验在视觉回路发育、功能和可塑性中的作用，以及神经发育中回路破坏的机制。2016年，她被任命为TSRI分子和细胞神经科学系主任及多里斯神经科学中心主任。她曾获NIH先锋奖，2012年被选为AAAS研究员。

参考文献：

• He HY, Shen W, Hiramoto M, Cline HT. Experience-Dependent Bimodal Plasticity of Inhibitory Neurons in Early Development. Neuron. 2016 Jun 15;90(6):1203-1214. doi: 10.1016/j.neuron.2016.04.044.
• He HY, Shen W, Zheng L, Guo X, Cline HT. Excitatory synaptic dysfunction cell-autonomously decreases inhibitory inputs and disrupts structural and functional plasticity. Nat Commun. 2018 Jul 24;9(1):2893. doi: 10.1038/s41467-018-05125-4.