深圳先進院等在成年動物體感皮層季節可塑性研究取得新進展
中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所Robert Naumann研究員帶領團隊，聯合來自德國、以色列的科學家，共同跨越四季，深入研究了小臭鼩（Etruscan Shrew）腦結構和功能隨季節性的變化。利用核磁共振、在體雙光子鈣成像、原位雜交等技術，從大體解剖追蹤到細胞水平的變化，從行為學追蹤到皮層神經元活性的變化，明確了冬夏兩季皮層神經元構筑的變化。這些解剖學的變化可以解釋冬季動物體感皮層中更多神經元被觸覺信號抑制的實驗現象，從而揭示小臭鼩冬季捕獵時對獵物選擇“饑不擇食”的自然現象的神經機制。
小臭鼩（Etruscan Shrew）是最小的陸生哺乳動物，其體重僅僅2克。它們主要分布在歐亞大陸北緯10度到40度的亞熱帶和溫帶地區。其嬌小的體型，導致其代謝率極高，卻無法儲存額外的能量。為了適應生存環境，小臭鼩演化出日間休眠（Daily torpor）以及冬季的戴耐爾現象。Saikat Ray和柏林夏里特醫學院的同事們通過核磁共振的方法長期追蹤了小臭鼩的多個腦結構，發現大腦皮層是縮小最顯著的結構：冬季皮層厚度比夏季縮小約10%。
小臭鼩視力不發達，捕食主要依賴觸覺，通過對觸覺高度靈敏的胡須來定位獵物。本文作者之一的柏林洪堡大學教授Michael Brecht，在前期研究中發現小臭鼩是捕獵高手，從碰觸獵物到咬死獵物，僅僅需要幾百個毫秒，真正的“秒殺”。研究人員將研究集中到小臭鼩的體感皮層。令人驚訝的是，體感皮層的第四層神經元，也就是能量代謝需求最旺盛的皮層亞層，其厚度在冬季的時候減少了28%。
與此同時，其它亞層厚度卻沒有數目顯著變化。在皮層第四層中，存在Parvalbumin陽性中間神經元（PV神經元）。這類抑制型神經元主要功能是抑制周邊神經元活性。腦片染色顯示，冬季動物中PV神經元數目較夏季減少。通過在體雙光子鈣成像實驗，研究者重復撥動小臭鼩的胡須，記錄皮層神經元的鈣信號，定量神經元對觸覺刺激的反應。
神經元對觸覺信號的反應可以分為三類：被激活、被抑制或者無反應。通過比較秋冬季與春夏季的實驗，研究者發現在冬季有更多的神經元被觸覺信號激活，和解剖學數據PV神經元在春夏季增多相一致的是，第四層中的神經元被觸覺刺激抑制的比例是秋冬季的2.3倍。總結上述一系列實驗數據，冬季皮層比夏季薄，且抑制性神經元較少，導致秋冬季體感皮層神經元更容易被觸覺刺激激活。
早在2012年，Michael Brecht教授課題組發現小臭鼩是一個不折不扣的“美食家”。在食物充足的時候，它們偏好捕獵多汁的蟋蟀和蠕蟲而不是有著厚重外甲的土元。但是在食物匱乏的時候，小臭鼩也可以退而求其次，捕獵土元充饑。在冬天食物匱乏的情況下，降低體感皮層檢測觸覺信號的閾值，可以令小臭鼩不“挑食”，提升其生存幾率。所以冬季減少皮層的體積不僅僅節約能量消耗，也是一種應對惡劣環境的神經適應機制。本研究為理解神經系統應對生態環境挑戰的適應機制，提供了新的視角。
2017年的諾獎授予了發現晝夜節律分子機制的三位科學家。對這種周期性神經系統的變化，從晝夜、性周期等等，都已經逐漸被大家熟知和接受。但是季節性神經系統的變化，由于其時間跨度長，采樣困難、實驗周期久，相關研究并不多見。本研究填補了這方面的空白，通過長期追蹤單個個體以及跨年度對群體動物進行記錄，在細胞水平、生理水平以及大體解剖不同層面，揭示了冬夏兩季動物皮層的自然變化。同時這種長時程的神經系統適應性變化，也可以認為是神經可塑性的一種表現形式。有別于學習記憶這種短時程的變化，季節性的神經可塑性的分子機制還等待著我們揭開它們神秘的面紗。
相關研究以Seasonal plasticity in the adult somatosensory cortex 為題于12月1日發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）。文章通訊作者為深圳先進院腦所研究員Robert Naumann，第二作者為課題組研究助理李苗。第一作者為目前就職于以色列魏茨曼科學研究所的S.Ray博士。共同作者包括深圳先進院腦所研究員王虹、柏林夏里特醫學院的S.P.Koch, S.Mueller, P.Boehm-Sturm以及柏林洪堡大學教授M.Brecht博士。
體感皮層構筑隨季節的變化。
A矢狀切面顯示體感皮層在夏季（橙色）和冬季（藍色）的層級結構.B 體感皮層冬季比夏季顯著變薄
子活體鈣成像顯示，機械刺激小臭鼩的胡須，可以激活體感皮層神經元。B通過對整個皮層從淺層到深層進行記錄，可以鑒定出對刺激有響應的神經元。C通過對一個皮層柱的成像發現，胡須刺激激活的神經元（綠色）在冬季更多，而被胡須刺激抑制的神經元在夏季更多。
