Science新研究颠覆了人们对大脑区域的标准看法：复杂脑细胞连接比想象中更普遍

尽管神经科学家普遍认为Purkinje细胞只有一个初级树突，与脑干的一条攀爬纤维相连，但芝加哥大学的一项新研究表明，人类小脑中几乎所有的浦肯野细胞都有多个初级树突。

　　

1906年，西班牙科学家Santiago Ramón y Cajal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Purkinje细胞图展示了神经元结构的图谱，从细胞体中冒出多个大分支，分裂成美丽的叶子状图案。

尽管这些早期的描述捕获了从细胞体延伸出来的多个树突，但直到今天，神经科学家普遍认为Purkinje细胞只有一个初级树突，它与脑干的一条纤维相连。芝加哥大学本周发表在《科学》杂志上的一项新研究表明，Cajal的画一直都是准确的，然而，人类小脑中几乎所有的Purkinje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Purkinje细胞也具有这种更复杂的结构，在这些细胞中，25%的细胞接受来自多个攀爬纤维的输入，这些纤维与不同的初级树突分支相连。在活体小鼠中记录细胞活动的实验也表明，初级分支可以独立激活，对来自环境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博士说:“你对大脑中某个细胞的原型研究得越多，你就越能接受它。”他指的是Purkinje细胞有一个初级树突，连接着一条攀爬纤维的典型模型。“这些画自20世纪以来一直存在，所以我们肯定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，这几乎是普遍的，我们可以看到它也产生了质的差异。”

改写教科书的观点

Cerebellum(源自拉丁语，意为“小脑”)位于头盖骨的底部，就在脊髓连接处的上方。自1824年法国医生Jean Pierre Flourens首次描述小脑的功能以来，科学家们认为小脑的唯一工作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外环境的输入方面也起着重要作用，包括本体感觉和平衡的感觉。

小脑Purkinje细胞就像一个巨大的天线，接收来自身体其他部位的数千个输入，这些输入传递了一系列的上下文信息。然后，这些信号与预测错误信号相结合，表明环境与大脑的期望之间存在不匹配。这种错误信号是由从脑干向上攀爬的神经纤维提供的，这些神经纤维与它们的目标浦肯野树突结构相连。这些神经被恰当地称为“攀爬纤维”。

对这些连接的标准理解是，每个Purkinje细胞都有一个主要的树突，从细胞体分支出来，并与一个攀爬纤维连接，形成一个单一的计算单元。攀爬纤维和Purkinje细胞之间的这种一对一关系，是该领域的核心教条，可以在每本神经科学教科书中找到。这种信念主要来自对啮齿类动物的研究，它们确实主要具有单树突结构。

然而，过去对这些结构的许多研究都集中在少数细胞上，因此在这项新研究中，论文的第一作者Silas Busch从观察人类和小鼠组织中的数千个细胞开始。他使用了一种靶向的、基于抗体的染色技术，即免疫组织化学，在小脑薄片上选择性地标记Purkinje细胞。然后，他对所能观察到的所有细胞的结构进行了分类，发现95%以上的人类浦肯野细胞具有多个初级树突，而在小鼠中，这一数字接近一半。

Busch说:“你可以感觉到这在这个领域是多么的流行，因为从解剖学上讲，它们被称为细胞的'初级'树突。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，你可以称之为初级树突。”

在哺乳动物甚至其他脊椎动物共享的进化上最保守的大脑区域之一，这种显著的物种差异导致Busch和Hansel提出疑问，如果有多个初级树突而不是只有一个，是否可能有功能上的后果。攀爬纤维，有着吉祥的一对一关系和原生树突的亲密纠缠，是他们的第一个嫌疑人。

利用小鼠小脑中含有活细胞的部分，Busch给这些细胞注射染料以观察它们的分支，然后刺激攀爬纤维的输入。他观察到，25%的具有多个初级树突的细胞接受了多个攀爬纤维，这改变了教科书上的观点，即每个Purkinje细胞只有一个攀爬纤维输入，而具有单个初级树突的细胞则没有。

小鼠实验

有相当一部分(虽然是少数)具有多个初级树突的Purkinje细胞也接受来自多个攀爬纤维的输入，这一发现鼓舞了Busch，他在活鼠身上进行了一系列实验，看看这是否会导致活鼠的功能差异。首先，他将一种荧光钙指示剂注入小脑，并植入一个小玻璃窗，这样他就可以观察钙在Purkinje细胞树突中的流动。当小鼠在跑步机上跑步时，他把小鼠的头部放在显微镜下，通过测量钙的流动，他可以得知当一根攀爬的纤维为细胞提供了强大的输入。在具有一个初级树突的细胞中，高分辨率图像显示活动信号在其整个结构中是均匀的;在具有多个初级树突的细胞中，他可以检测到每一侧在不同时间发生的活动，这意味着一个树突可以被其攀爬纤维激活，而同一细胞中的另一个树突则不能。

接下来，Busch想看看他是否可以通过使用更精确的刺激——小鼠的胡须——来梳理出个体攀爬纤维的活动。在这个实验中，Busch必须给小鼠注射镇静剂(“我不知道你是否曾经尝试刺激一只醒着的小鼠的单个胡须，但这真的很难，”他说)。在小鼠睡着的时候，研究人员把每根胡须都插进一个小玻璃管里，来回摆动。在这里，他还可以看到Purkinje细胞不同树突分支的活动，这表明单个的攀爬纤维从单个的须向单个的树突发出信号。

最后，为了更真实的场景，Busch还用几种刺激来测试醒着的小鼠，比如闪光、声音或胡须垫上的空气。他再次发现Purkinje细胞之间存在差异。在某些情况下，一个分支会不同地倾向于一种刺激，所以它可能对光特别敏感，而不是声音。那么另一个分支可能优先响应声音，而不是光。

Busch说:“这种情况只发生在少数细胞中，因为小鼠体内具有多个分支的细胞较少，并不是所有的细胞都有多个攀爬纤维，但这种效应的存在仍然非常有趣。”“这证实了这一想法，即两种攀爬纤维输入将具有不同的功能目的，代表不同的信息。”

小脑的连通性变得更加清晰

这一新证据颠覆了人们对大脑区域的标准看法，人们认为这一区域在解剖学上已经得到了解决，而且还具有功能上的影响。当攀爬的纤维提供来自脑干的输入时，Purkinje细胞聚集并处理这些信息。在细胞上的多个点连接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身体需要不同运动的变化，这种非规范连接与Purkinje细胞树突的结构密切相关。

也有证据表明，小脑中的这些连接可能与疾病有关。例如，2013年，汉塞尔与芝加哥大学神经学家克里斯托弗·戈麦斯(Christopher Gomez)博士合作进行了一项研究，该研究表明，在小脑共济失调(一种运动障碍)的小鼠模型中，Purkinje细胞攀爬纤维连接较弱。另一方面，Busch, Hansel和Gomez与前芝加哥大学研究生Dana Simmons发表的研究表明，这些联系在自闭症的基因复制和过度表达模型中更强。其他研究人员也证明了在某些类型的震颤中有更强的联系。更多地了解这些细胞的基本生物结构将有望为这些疾病提供更多的见解。

Hansel说:“研究大脑其他部分的人，比如新皮层或海马体，总是或多或少地知道大脑结构在做什么。我们这些研究小脑的人一直认为这是运动协调和适应的问题，但很明显，它不止于此。现在，随着互联性变得更加清晰，它将更容易掌握。”

文章标题

Climbing fiber multi-innervation of mouse Purkinje dendrites with arborization common to human