《IBRO Neuroscience Reports》：Interneuron and glial mechanisms underlying V1 orientation map dynamics
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本文针对初级视觉皮层（V1）方位选择性图谱（OS maps）形成与重塑的细胞机制这一核心问题，系统综述了抑制性中间神经元与星形胶质细胞、小胶质细胞等非神经元细胞在其中的关键作用。研究指出，E/I平衡、胶质-神经元互作共同调控图谱组装、稳定及经验依赖性可塑性，为理解皮层感觉表征的构建与灵活性提供了新的细胞框架，对揭示神经发育障碍的病理机制具有重要意义。
在神经科学领域，大脑如何构建并维持其精细的功能结构一直是一个核心谜题。初级视觉皮层（V1）作为视觉信息处理的第一站，其内部功能架构的典型代表——方位选择性图谱（Orientation Selectivity Maps, OS maps），为我们提供了一个窥探大脑皮层电路组织规则的绝佳窗口。在猫、猴等高阶哺乳动物中，这些图谱呈现出优美的“风车状”连续结构，而在小鼠、大鼠等啮齿类动物中，方位选择性神经元的分布则更像“椒盐状”，缺乏大尺度的有序性。尽管我们知道这些图谱的雏形源于发育早期的自发性神经活动以及视网膜-丘脑输入的结构化信息，但其最终的成熟以及在生命过程中持续的适应性与可塑性，究竟依赖于哪些精细的细胞机制？传统的观点多聚焦于兴奋性神经元的连接，但近年来越来越多的证据表明，抑制性中间神经元（Interneuron）和各种胶质细胞（Glial cells）扮演着不可或缺的调制者角色。它们如同交响乐团的指挥，精细地调控着局部神经微环境的平衡，从而深刻地影响着功能图谱的组装、稳定和重塑。发表在《IBRO Neuroscience Reports》上的这篇微型综述，旨在系统梳理这些“非主角”细胞在方位选择性图谱动态变化中的新兴见解，为我们理解大脑皮层感觉表征的构建与灵活性提供了一个更为全面的细胞框架。
为了系统阐述抑制性中间神经元与胶质细胞在V1方位选择性图谱动态变化中的作用，研究人员主要综合运用了以下几类关键技术方法：在体光学成像技术（如电压敏感染料成像、双光子钙成像）用于可视化皮层大范围或单细胞分辨率的方位偏好空间分布；高密度电极记录与单细胞电生理技术用于解析神经元的反应特性与微尺度聚类；细胞类型特异性操控技术（如药理学干预、光遗传学、化学遗传学以及基因敲除模型）用于研究特定神经元（如GABA能中间神经元）或胶质细胞（如星形胶质细胞、小胶质细胞）的功能；以及计算建模方法用于整合实验数据并理论预测图谱形成的原理。部分研究还涉及对模式动物（如雪貂、猫、小鼠）的视觉经验操控（如条纹饲养、黑暗饲养）以研究经验依赖性的可塑性。
1. 比较结构学：跨哺乳动物物种的方位选择性图谱
1.1. 从柱状结构到连续图谱
功能柱的概念起源于20世纪中叶，Hubel和Wiesel的开创性工作确立了猫视觉皮层中方位柱的经典模型。然而，随着光学成像技术的出现，研究证实方位偏好是在皮层表面平滑变化的，形成了由等方位域（Iso-orientation Domains, IODs）和风车中心（Pinwheel Centers, PCs）组成的风车状图案。
1.2. 物种多样性与共享的局部逻辑
尽管高阶哺乳动物（如灵长类、猫）表现出大尺度的连续图谱，而啮齿类则呈现“椒盐”状组织，但高分辨率记录揭示，在所有物种中，附近神经元倾向于共享相似的方位偏好，这种保守的局部组织是经验依赖性 refinements 和可塑性运作的结构基础。
2. 方位选择性图谱形成的理论模型
2.1. 视网膜-皮层采样作为图谱形成的预测因子
理论模型提出，图谱的出现取决于视网膜-丘脑-皮层通路的采样密度。视网膜-皮层（Retino-Cortical, RC）比率理论认为，当V1接收到足够密集的视网膜皮层输入时，方位选择性图谱就会出现。这些模型表明，OS图谱产生于视网膜采样的固有各向异性和皮层自组织机制之间的相互作用。
2.2. 风车架构的计算意义
风车架构具有重要的计算优势。等方位域包含高对比度、锐调谐的神经元，擅长编码精确的边缘方位；而风车中心则表现出更宽的调谐，整合多种方位成分，适于检测复杂纹理。这种功能二分法支持了对自然场景的高效编码。
2.3. 跨物种共享的组织原则
即使在缺乏宏观图谱的啮齿类动物中，其底层电路组织规则仍然是高度保守的。兴奋性神经元优先与功能相似的伙伴形成连接，表明啮齿类中的微尺度子网络在结构和功能上可能与具有图谱的物种中的等方位域类似。
3. 内在驱动因素：自发活动的作用
3.1. 视网膜波作为结构化的教学信号
视网膜波是发育过程中视网膜神经节细胞的自发活动爆发，能够协调整个视觉系统的模式化活动。这些波传播到外侧膝状体（LGN），驱动相关活动和突触重塑，对于细化视网膜-丘脑和随后的丘脑-皮层连接至关重要。
3.2. 皮层中的自组织和早期网络动力学
在自然睁眼前，视觉皮层中就已经出现了自发和刺激诱发活动的模块化模式。这些不成熟的皮层网络可以将非结构化输入重组为具有特征间距的空间周期性活动模式，并表现出显著的自组织能力。
4. 可塑性与重塑：经验依赖性的修饰
4.1. 经验塑造表征空间
经典的条纹饲养实验证明，经验可以重塑皮层地形图。暴露于单一方位的小猫，其皮层图谱会由对该方位调谐的神经元主导，而未经验方位的表征则严重不足。
4.2. 内在偏向与经验驱动的细化
这种经验依赖性可塑性与长期被认识的“倾斜效应”（对基轴线方位的感知优于倾斜方位）相交织。研究表明，视觉经验并非从头产生各向异性，而是 refine 和 normalize 内在的偏向。
4.3. 皮层网络水平的细化
经验依赖性细化依赖于选择性的突触重塑。关键贡献者可能包括局部微电路的重组和长程水平连接的成熟。抑制皮层活动或黑暗饲养会破坏网络水平连接的重组，而单神经元方位选择性 largely 保持完整，突显了可塑性主要在群体和网络水平运作。
5. 抑制性电路与方位选择性图谱
5.1. 抑制“毯”缩放图谱表达
γ-氨基丁酸（GABA）能抑制对于将兴奋性输入提供的空间模板转化为稳定、可解释的功能架构是不可或缺的。理论模型表明，这种密集的、侧向抑制能够实现“赢者通吃”策略，从而增强相似感觉输入之间的 discrimination。
5.2. 抑制与图谱细化并行发展并门控可塑性
新证据表明，抑制性控制并非晚期出现的、非特异性的活动“毯”，而是根植于早期建立的、功能特异性的网络。在雪貂V1中，GABA能中间神经元在睁眼后获得模块化反应模式和稳健的方位调谐，与皮层图谱的细化并行。抑制性张力也控制着成年期的可塑性。
5.3. 啮齿类皮层中的模块化抑制性电路
小鼠V1研究表明，抑制的强度受到到达皮层第1层的长程输入的空间调制。第1层被组织成富含M2毒蕈碱受体（M2+）神经元的斑块和互补的M2-区间，形成了具有不同E/I动力学和长程连接性的子网络，产生了功能特化。
6. 超越神经元：胶质细胞在图谱组装和细化中的机制
6.1. 星形胶质细胞网络：整合者、调制者和活动塑造者
星形胶质细胞紧密跟踪局部神经元动力学，在V1中表现出与相邻神经元密切匹配的锐利方位选择性。它们不仅整合信息，还进行调制，例如，V1星形胶质细胞的光遗传学激活会改变附近神经元的方位选择性。星形胶质细胞还通过调节D-丝氨酸等水平间接影响N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体 tone，从而影响经验依赖性细化和电路兴奋性。
6.2. 小胶质细胞：具有未解决特异性的突触雕塑家
小胶质细胞在突触修剪和神经元活动稳态中起关键作用。在视觉通路发育过程中，小胶质细胞参与依赖于神经活动和吞噬信号通路的视网膜-丘脑突触修剪。从稳态角度看，长期小胶质细胞耗竭会破坏网络水平的稳态，导致方位选择性降低。
7. 结论与未来展望
综上所述，方位选择性图谱的产生是内在自发活动、结构化视网膜皮层输入和经验依赖性细化协同作用的结果，并由精确调谐的E/I平衡稳定。抑制性电路 scaling 并门控图谱的功能表达，而星形胶质细胞和小胶质细胞则分别通过调节稳态和突触架构来影响图谱的组装和重塑。
该综述强调了从神经元中心视角转向多系统框架的必要性，其中抑制性电路和胶质网络共同 orchestrate 皮层功能架构的出现、细化和稳定性。未来的研究需要新的实验框架来回答关键未解问题，例如星形胶质细胞网络如何与新兴方位模块接口，以及在何种条件下小胶质细胞对于细化方位 selectivity 是必需的。这些研究不仅对于理解正常的图谱形成至关重要，也有助于揭示与异常突触可塑性、E/I失衡和感觉处理受损相关的神经发育和精神疾病的病理机制。
