《Developmental Neurobiology》：Parallel Morphological and Functional Development in the Xenopus Retinotectal System
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本文通过钙成像（GCaMP6s）与单细胞电穿孔标记技术，首次在非洲爪蟾（Xenopus laevis）发育早期（Stage 45-48）实现了对单个顶盖神经元形态变化（树突复杂度、胞体位移）与功能特性（视网膜拓扑图重组）的同步动态观测。研究发现，尽管顶盖神经毡体积增长66.9%，但单个神经元的树突覆盖范围与神经毡体积保持同步扩展，且树突接收的视觉输入范围始终广泛，提示此阶段视顶盖系统采用"弥散连接"策略平衡脑区扩张与功能可塑性。该工作为神经环路发育中结构-功能耦合机制提供了重要证据。
引言
非洲爪蟾（Xenopus laevis）是研究神经系统发育和拓扑连接的经典模型。在视觉系统发育早期，顶盖体积显著增加，视网膜神经节细胞（RGC）轴突和顶盖神经元树突经历广泛的活动依赖性重塑。先前研究发现，顶盖内三维视网膜拓扑功能图谱在数天内发生显著变化，这引发了一个关键问题：这种功能重组是否与顶盖神经元迁移和结构重塑相关？为探究此问题，本研究在表达GCaMP6s的蝌蚪顶盖中，并行进行钙成像功能记录与Alexa 594-葡聚糖稀疏标记的细胞结构成像，在Stage 45-46和Stage 48两个发育时间点分析单个神经元的形态、位置及其树突野的功能特性。
结果
顶盖与突触后神经元树突野的形态计量学变化
通过手动分割顶盖及神经毡区域，研究人员发现从Stage 45到48阶段，顶盖总体积增加38.7%±6.1%，神经毡体积增加66.9%±6.7%。单个顶盖神经元的树突总分支长度增加52.1%±15.1%，树突跨越体积增加53.8%±21.7%，Sholl分析显示分支复杂性显著提升。然而，树突密度（树突总长度/神经毡体积）和树突覆盖率（树突跨越体积/神经毡体积）无显著变化，表明树突野与顶盖整体保持比例生长。同时，标记神经元的胞体沿顶盖头尾轴（R-C轴）向吻侧移位，腹背轴（D-V轴）向腹侧深层移动，与顶盖新增细胞来源于尾侧增殖区的模式一致。氯脱氧尿苷（CldU）标记实验进一步证实，Stage 45时给予CldU可在Stage 48顶盖细胞体层形成带状标记带，支持新细胞从尾侧加入并推移老细胞的假说。
顶盖神经毡功能视网膜拓扑表征的变化
通过漂移条带视觉刺激与傅里叶频谱分析，研究人员提取了顶盖神经毡的三维视网膜拓扑图。比较Stage 45-46（早期）与Stage 48（晚期）图谱发现，尽管单个动物内拓扑梯度布局发生显著空间旋转，但整个神经毡的视觉野表征均值无全局偏移。累积分布分析显示，晚期 azimuth 轴相位值轻微后移（对应后侧视野表征增多），elevation 轴相位值轻微下移（对应下侧视野增多）。值得注意的是，与树突野共定位的体素其视觉输入分布在发育过程中呈现与整体神经毡相反的趋势：树突野在晚期 azimuth 轴向前侧视野偏移，elevation 轴向 superior 视野偏移，提示成熟细胞感受野的渐变可能被新增细胞的输入所抵消。
单个顶盖神经元视觉反应特性的变化
对细胞体区域（ROI）的分析显示，其视网膜拓扑梯度与神经毡图谱基本一致。与神经毡结果类似，细胞体感受野均值在发育阶段间无显著偏移，但整体分布显示 azimuth 轴轻微后移、elevation 轴轻微下移。通过二维直方图匹配度计算，发现树突野与整体神经毡的视觉输入分布在早期和晚期均保持高度相似（匹配值早期中位数0.58，晚期0.62），且无显著变化，表明单个顶盖神经元在发育过程中持续接收广泛的视觉输入汇聚。
讨论
本研究通过半镶嵌GCaMP6s表达与单细胞电穿孔标记相结合的技术，在非洲爪蟾视觉系统快速发育期实现了全顶盖与单细胞水平的形态-功能并行观测。结果显示，尽管顶盖整体经历显著扩张和拓扑图谱重组，但单个神经元的树突覆盖比例和输入范围保持相对稳定。与既往报道中RGC轴突精度随发育提升的趋势不同，顶盖神经元树突在观测阶段未出现显著拓扑细化，提示早期视觉系统可能采用"宽输入、稳覆盖"的策略来应对持续细胞增殖与环路重组挑战。这种弥散连接模式可能有利于新细胞整合并降低代谢成本，而空间信息解码可能依赖顶盖网络的群体活动或突触后计算机制（如内在兴奋性调节、侧抑制等）。随着发育推进，当动物从捕食逃避转向猎物捕获时，系统可能转向聚焦连接策略，实现更精确的视网膜拓扑表征。
材料与方法
研究选用白化型非洲爪蟾，通过双细胞期胚胎GCaMP6s mRNA 显微注射获得半镶嵌表达个体。在Stage 44阶段，采用单细胞电穿孔技术在顶盖神经元中标记Alexa Fluor 594-葡聚糖。形态成像使用双光子显微镜获取高分辨率z-栈图像，并通过TREES工具箱进行树突三维重建。功能成像通过漂移条带视觉刺激（azimuth/elevation轴）记录钙信号，利用傅里叶分析提取感受野相位。信号信噪比（SNR）定义为刺激频率振幅与高频噪声标准差的比值。视网膜拓扑图相似性通过二维直方图交叉匹配值量化。统计分析使用GraphPad Prism 10完成。
