Hollis Cline博士,多里斯神经科学中心,TSRI多里斯神经科学中心，Cline博士担任主任。

 

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在你的研究之前，人们对大脑回路的发展有多少了解？你最近的学习如何提高了我们的理解力？

 

关于大脑回路的发展有大量的了解。我们的工作灵感来自于50多年前哈佛大学、胡贝尔和魏塞尔的科学家们做的实验。他们获得了诺贝尔奖，他们的工作，并激发了许多额外的实验在过去的50年或60年。为了提高我们对大脑电路发展的理解，我们发现了更多的细胞机制，感官体验影响神经元如何生长并连接到电路内的其他神经元。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。

 

你能概述一下你使用的活体时间推移成像技术吗？

 

体内时间推移成像实验对我们能够实现这一发现是绝对必要的。我们用的是实验动物，它是青蛙蝌蚪。这些动物在发育的早期阶段是透明的。此外，它们在体外发育，所以卵发育在卵壳之外或者在妈妈的体外，这意味着我们可以很容易地观察大脑发育。对于体内时间推移成像，我们表达来自水母的天然存在的荧光蛋白。我们从水母中提取基因，并在蝌蚪中的单个脑细胞中表达。由于蛋白质荧光，我们可以看到神经元在活蝌蚪脑内的形状。对于时间推移成像过程，我们麻醉蝌蚪，把它放在显微镜的舞台上，拍摄大脑和大脑内的神经元的图像。然后，我们把动物从麻醉中带出来，让它四处游动，获得自然视觉体验。然后我们在蝌蚪的大脑中拍摄同一个神经元的另一个图像，我们做了几次。每次，在拍摄图像时，我们要么把动物放到黑暗中，这样它就不会接收视觉体验，或者我们把它放进一个小房间，在那里它接收视觉体验。我们把它叫做蝌蚪迪斯科。然后，我们有这些神经元的图像随着时间的推移，我们分析是否该形状的神经元响应于视觉体验或黑暗时期的变化。从我们以前的研究中，我们预期进入这个实验的是，神经元基本上不会改变在动物在黑暗中的时期，但是它们会由于动物接受视觉体验而成长。在我们所知道的每一个动物中，大脑中有两大类神经元，即兴奋性神经元，它们增加了它们连接的神经元的活性，以及抑制和降低它们连接的神经元活性的那些神经元。当我们分析我们所观察到的细胞是兴奋性的还是抑制性的时，我们发现的是，抑制性神经元在视觉体验和黑暗反应中不同于兴奋性神经元的生长。

 

外界刺激对神经元早期发育有什么作用？

 

我们的期望是感官体验，视觉刺激，而不是黑暗会增加大脑的连通性。我们发现抑制神经元实际上分为两类。有些动物在黑暗中会有更强的联系，而动物在光照后会有较弱的连接。这是完全出乎意料的，并暗示我们在实验之前还没有真正领会到一些新的东西。然后，当我们研究更多的连通性时，我们发现这两类抑制神经元基本上具有兴奋性神经元的“推拉”型功能，所以它们只是保持兴奋性神经元要么太安静要么太活跃。

你对开发电路中抑制神经元的功能有多早感到惊讶吗？

 

是的，这是我们做的另一个意外发现。许多其他研究的预期是，抑制神经元开始在脑发育的相对较晚阶段发挥其特殊作用。我们发现他们起的作用比我们预期的要早得多。通常，神经元落入这些不同的类别，我们可以认识到它们是不同的，因为它们的形状是不同的，它们表达不同的基因和不同的蛋白质。当我们观察到所有这些神经元，兴奋性神经元和抑制性神经元一起时，它们看起来完全相同，所以我们不能根据我们预期的这些参数来区分它们的性质。我们能区分它们的唯一方式是它们如何对视觉刺激做出反应，这些抑制神经元在黑暗中基本上生长得更多，并且随着视觉刺激而生长得更少。这仅仅是因为我们收集了时间推移的活体图像，基本上是电影，关于神经元连接如何响应视觉刺激而改变，我们意识到它们是不同的。

 

你在动物模型中的研究结果是否可能适用于人类？

 

在动物模型中发现的大脑发育的一般原理已经在人类中被证明是真实的。这并不是说人类和其他动物一样。人类有更多的能力，他们的大脑发育比我们有机会研究的任何其他动物都要复杂得多，但是考虑到其他动物的相对简单性，我们所学到的基本信息适用于人类。对这项研究的一个关键点是，我们观察到大脑发育的阶段比任何人都能在人类身上观察到的要早，所以我们不知道这些事件是否发生在人类大脑发育过程中，因为我们从来没有机会去观察。与我们在蝌蚪研究的那些事件相比，在胎儿发育阶段很早就发生了。

 

如果研究结果属实，这对治疗神经系统疾病有什么影响？

 

我认为有两种类型的神经障碍或问题，可以在治疗方面有所帮助。一是围产期脑损伤。这项研究的基本信息是感官体验有助于康复或帮助大脑正常发育。我从50年前所提到的实验中得出的一个例子是治疗许多儿童称之为弱视的疾病。这是一只眼睛看不太清楚的地方，另一只眼睛看起来很好。今天仍在使用的治疗方法是在眼睛上贴上一个看起来很好的贴片，这样所谓的“懒惰眼”就必须更加努力地工作，以便连接建立和改善。这就像我所说的康复计划。现在，我们认为，同样的原理可以用来帮助大脑从伤害中恢复，或者如果由于其他原因连接不正确。我们知道，我们可以帮助修复受损的大脑，或慢慢发展大脑的感官体验或康复。

 

需要进一步的研究来了解神经元的身份是由经验驱动的吗？

 

我提到，目前的研究定义了神经元的身份，无论是兴奋的还是抑制的，包括许多特征，包括表达的基因和蛋白质。我们知道当动物有感官体验时，数以百计的基因和蛋白质在神经元中发生变化。了解这些基因和蛋白质是什么，以及它们在细胞内的作用是如何帮助它们提高视觉反应的连接性，在我看来，这是一个我们需要更多研究的巨大领域。这将有助于我们理解大脑活动是如何帮助连接形成的。

 

更多信息：

• http://www.scripps.edu/cline/

• Experience-Dependent Bimodal Plasticity of Inhibitory Neurons in Early Development.

  He HY, Shen W, Hiramoto M, Cline HT.

  Neuron. 2016 Jun 15;90(6):1203-1214. doi: 10.1016/j.neuron.2016.04.044. Epub 2016 May 26.

  Excitatory synaptic dysfunction cell-autonomously decreases inhibitory inputs and disrupts structural and functional plasticity.

  He HY, Shen W, Zheng L, Guo X, Cline HT.

  Nat Commun. 2018 Jul 24;9(1):2893. doi: 10.1038/s41467-018-05125-4.