小脑中复杂的脑细胞连接比人们想象的更常见

1906年，西班牙科学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔因其对大脑微观结构的开创性研究而获得诺贝尔奖。他著名的小脑浦肯野细胞图画展示了神经元结构的森林，多个大分支从细胞体中长出，分裂成美丽的叶状图案。

尽管这些早期的描述捕捉到了从细胞体延伸出的多个树突，但迄今为止神经科学家的普遍观点是，浦肯野细胞只有一个初级树突，与脑干的一根攀爬纤维相连。芝加哥大学本周在《科学》杂志上发表的新研究表明，卡哈尔的绘图一直都是准确的——人类小脑中几乎所有浦肯野细胞都有多个初级树突。

对小鼠的进一步研究表明，大约 50% 的浦肯野细胞也具有这种更复杂的结构，其中 25% 的细胞接收来自与不同初级树突分支连接的多个攀爬纤维的输入。记录活体小鼠细胞活动的实验还表明，初级分支可以独立激活，对环境中的不同刺激做出反应。

芝加哥大学神经生物学教授、该研究的资深作者 Christian Hansel 博士表示：“你对大脑中某种细胞原型的研究越多，你就越能接受它。”他指的是浦肯野细胞的典型模型。一个初级树突与一根攀爬纤维相连。“卡哈尔的这些图画自 1900 年代以来就已经存在，所以我们绝对有足够的时间来关注，但直到现在通过这种定量分析，我们才发现人类细胞每个都有多个完整的树突几乎是普遍的，我们可以看到这也会产生质的差异。”

重写教科书的想法

小脑(来自拉丁语，“小脑”)位于颅骨底部，就在脊髓连接处的上方。自从法国医生 Jean Pierre Florens 于 1824 年首次描述小脑的功能以来，科学家们认为它的唯一作用是协调运动和肌肉活动，但技术的进步表明，小脑在处理有关身体内部和外部的输入方面也发挥着重要作用。外部环境，包括本体感觉和平衡感。

小脑浦肯野细胞就像巨大的天线，接收数千个输入，传递来自身体其他部位的一系列上下文信息。然后，这些信号与预测误差信号相结合，表明上下文与大脑的期望之间不匹配。这种误差信号是由从脑干爬升并与其目标浦肯野树突结构连接的神经纤维提供的。非常恰当地，这些神经被称为“攀爬纤维”。

对这些连接的标准理解是，每个浦肯野细胞都有一个初级树突，该树突从细胞体分支出来，并与一根攀爬纤维连接，形成一个计算单元。对攀爬纤维和浦肯野细胞之间这种一对一关系的信念，是该领域的中心法则，可以在每本神经科学教科书中找到，主要来自对啮齿动物的研究，啮齿动物主要具有单一树突结构。

过去对这些结构的许多研究都集中在少量细胞上，因此对于这项新研究，Hansel 实验室的博士生、该论文的第一作者 Silas Busch 首先观察了来自人类和人类的数千个细胞。小鼠组织。他使用一种基于抗体的靶向染色技术(称为免疫组织化学)来选择性标记小脑薄片中的浦肯野细胞。然后，他对他能观察到的所有细胞的结构进行了分类，发现超过 95% 的人类浦肯野细胞具有多个初级树突，而在小鼠中，这个数字接近一半。

“你会感觉到这在该领域是多么流行的想法，因为从解剖学上讲，它们被称为细胞的‘初级’树突，”布希说。“因此，即使是对这些细胞结构的描述也是基于具有一个树突的小鼠原型，您可以将其称为初级树突。”

这种显着的物种差异存在于哺乳动物甚至其他脊椎动物共有的进化上最保守的大脑区域之一，这使得布希和汉塞尔提出疑问，拥有多个而不是只有一个初级树突是否会产生功能性后果。攀爬纤维是他们的第一个嫌疑人，它与初级树突具有良好的一对一关系和亲密纠缠。

布施利用含有仍然活细胞的小鼠小脑切片，向细胞注射染料以观察它们的分支，然后刺激攀爬纤维输入。他观察到，25% 具有多个初级树突的细胞接收到多个攀爬纤维，改写了教科书的观点，即每个浦肯野细胞仅获得一个攀爬纤维输入，而具有单个初级树突的细胞却没有。

行走的老鼠和摆动的胡须

受到这一发现的鼓舞，即相当大一部分(尽管是少数)具有多个初级树突的浦肯野细胞也接收来自多个攀爬纤维的输入，Bus​​ch 在活体小鼠中进行了一系列实验，看看这是否会导致活体小鼠的功能差异。首先，他将荧光钙指示剂染料注射到小脑中，并植入一个小玻璃窗，以便随后观察钙流入浦肯野细胞树突的情况。当小鼠在跑步机上跑步时，通过将其头部固定在显微镜下，他可以测量钙流，该钙流表明攀爬纤维何时向细胞提供强输入。在具有一个初级树突的细胞中，高分辨率图像显示其结构中的活动信号是均匀的;在具有多个初级树突的细胞中，

接下来，布希想看看他是否可以通过使用更精确的刺激：老鼠的胡须来梳理个体攀爬纤维的活动。不过，在这个实验中，布希必须给老鼠注射镇静剂(“我不知道你是否曾经尝试过刺激清醒老鼠的个别胡须，但这真的很难，”他说)。当老鼠睡着时，布施将一根根胡须穿入一个小玻璃管中，并来回摆动它们。在这里，他还可以看到浦肯野细胞的不同树突分支的活动，这表明单个攀爬纤维正在发出从单个晶须到单个树突的输入信号。

最后，为了实现更真实的场景，Busch 还用几种刺激对清醒的小鼠进行了测试，例如闪光、声音或胡须垫上的吹气。他再次看到浦肯野细胞之间的差异。在某些情况下，一个分支会对一种刺激有不同的偏好，因此它可能对光特别敏感，但对声音则不然。那么另一个分支可能会优先响应声音，但不会响应光。

“这种情况发生在少数细胞中，因为小鼠中具有多个分支的细胞较少，而且并非所有细胞都具有多个攀爬纤维，但这种效应的存在仍然非常有趣，”布希说。“它证实了这个想法，即两个攀爬纤维输入将具有代表不同信息的不同功能目的。”

小脑的连接变得更加清晰

这一新证据颠覆了关于大脑区域的标准思维，该区域被认为在解剖学上得到了公平的解决，并且也产生了功能后果。当攀爬纤维提供来自脑干的输入时，浦肯野细胞聚集并处理该信息。在细胞上多个点连接的多个输入提供了更多的计算能力，使大脑回路能够适应和响应环境或需要不同运动的身体的变化，并且这种非规范连接与浦肯野细胞树突的结构密切相关。

还有证据表明小脑中的这些连接可能与疾病有关。例如，2013 年，Hansel与芝加哥大学神经学家 Christopher Gomez 医学博士、哲学博士合作进行了一项研究，结果表明，小脑共济失调(一种运动障碍)小鼠模型中的浦肯野攀爬纤维连接较弱。另一方面，Busch、Hansel 和 Gomez 与前芝加哥大学研究生 Dana Simmons 发表了研究成果，表明这些联系在自闭症的基因复制和过度表达模型中更为强烈。其他研究人员也证明了某些类型的震颤之间存在更紧密的联系。更多地了解这些细胞的基本生物结构将有望提供对这些条件的更多了解。

汉塞尔说：“研究大脑其他部分(如新皮质或海马体)的人总是或多或少地了解大脑结构的作用。” “我们这些研究小脑的人总是有这样的想法，即它是运动协调和适应的，但也很明显，它不仅仅是这个。现在，随着连接变得更加清晰，它会更容易掌握。”

这项研究“小鼠浦肯野树突的攀爬纤维多神经支配与人类常见的树枝化”得到了 NIH/国家神经疾病和中风研究所(拨款 R21NS124217 和 F31NS129256)和芝加哥大学普利兹克奖学金的支持。