不同抑制性中间神经元对视觉诱导的 γ 振荡的贡献

本文研究 PV 和 Sst 中间神经元对视觉诱导的 γ 振荡的作用，揭示其不同功能及机制。

　　

研究背景

在大脑的皮质微电路中，兴奋性神经元与多种 GABA 能中间神经元相互作用，这对感觉处理至关重要，并且能产生不同频率的节律性网络活动。在视觉皮层中，神经元常因 γ 节律而同步放电，γ 节律参与注意力、预测处理、相位编码和组件形成等过程，还与神经退行性和精神疾病相关。然而，不同中间神经元类别在皮层 γ 振荡产生中的具体作用尚未完全明晰。

其中，表达小白蛋白（PV）和生长抑素（Sst）的中间神经元是皮质兴奋性神经元抑制性输入的两个主要来源，它们分别主要对应快速放电的篮状细胞和 Martinotti 细胞类型。PV 中间神经元主要作用于锥体神经元的胞体周围区域，Sst 中间神经元则主要作用于其树突。目前尚不清楚皮层 γ 振荡的产生主要依赖于 PV 中间神经元、Sst 中间神经元，还是两者共同作用。

为了探究这一问题，研究人员进行了一系列实验。他们通过记录光遗传标记的 PV 和 Sst 中间神经元在视觉诱导的 γ 振荡期间的活动，分析这些神经元的放电时间、相位锁定特性，以及它们与兴奋性神经元活动的协调关系，从而深入了解不同抑制性中间神经元在 γ 振荡中的作用。

实验方法

研究人员选用三到八个月大的小鼠开展实验，涵盖雌雄两性。实验遵循相关动物保护法规，经当地权威机构批准执行。实验采用特定的转基因小鼠品系，将含有 CRE 依赖的通道视紫红质 - 2（ChR2）的 Ai32 小鼠，分别与 PV - Cre 小鼠和 Sst - IRESCre 小鼠杂交，使得 ChR2 能在 PV 和 Sst 神经元中特异性表达，便于后续对这些神经元进行标记和研究。

在实验过程中，小鼠需接受手术，研究人员会在其头部固定定制的钛制固定杆，并在视觉皮层（V1）上方进行开颅手术。术后，小鼠需经过一段时间的恢复和适应实验环境。实验时，清醒的小鼠被固定在头部，放置在径向轮装置上。

研究人员使用 Neuropixels 或剑桥神经科技探针进行电生理记录，同时利用光遗传刺激技术，通过光纤和激光对 V1 区域进行光照，激活表达 ChR2 的神经元。实验中使用的视觉刺激由 Psychophysics Toolbox 生成，以特定参数的方形波光栅刺激呈现给小鼠。

在数据处理方面，研究人员对记录到的神经元信号进行了多种分析。通过计算平均波形、进行二维 t - 随机邻域嵌入（t - SNE）和层次聚类，将神经元分为宽波形（Bws）和窄波形（Nws）两类，分别对应兴奋性神经元和部分中间神经元。通过特定的光标记标准，确定光响应神经元，即满足刺激后放电概率显著增加，且与基线相比放电率调制为正的神经元。同时，对局部场电位（LFP）信号进行滤波、下采样等处理，计算其功率谱，并通过小波变换和成对相位一致性（PPC）等方法，分析神经元放电与 LFP γ 振荡的相位锁定关系。

实验结果

通过光遗传技术，研究人员成功识别出 PV 和 Sst 中间神经元。这些神经元在层状分布上具有相似性，但在动作电位波形和放电特性上存在差异。PV 中间神经元通常具有窄波形动作电位，Sst 中间神经元则多为宽波形，且两者的放电速率均高于兴奋性神经元。在视觉刺激响应方面，PV 中间神经元比 Sst 中间神经元的响应更迅速，潜伏期更短。

在 γ 振荡过程中，研究人员观察到 PV 和 Sst 中间神经元表现出不同的相位锁定特性。PV 中间神经元与 γ 振荡的相位锁定更强，其 PPC 值在 γ 频率范围内显著高于 Sst 中间神经元和兴奋性神经元。而 Sst 中间神经元的相位锁定相对较弱，与 Bw 兴奋性神经元的相位锁定强度无明显差异。进一步分析发现，PV 中间神经元的放电速率与 γ 网络振荡幅度的正相关性更强，且其与网络中其他神经元的放电速率相关性也更高。

研究人员还深入探究了 PV 和 Sst 中间神经元与兴奋性神经元的放电模式关系。结果显示，PV 细胞倾向于在 γ 周期的早期放电，Sst 中间神经元则在 γ 周期的晚期放电，两者存在约 60°（约 6ms）的相位延迟。进一步分析兴奋性神经元的放电，发现其爆发式放电（burst）的第一个尖峰在 γ 周期中相位提前，先于 PV 中间神经元放电，而 Sst 中间神经元的放电则跟随在兴奋性神经元爆发式放电的第二个尖峰或单个尖峰之后。

此外，研究人员对 Sst 中间神经元进行了亚型分析。发现 Sst 中间神经元包含 Nw 和 Bw 细胞两种亚型，其中 Bw Sst 中间神经元占比较大。Nw Sst 中间神经元具有较高的放电速率、较强的 γ 相位锁定，在功能上与 PV 中间神经元有相似之处；但在刺激 onset 和 γ 周期内的放电时间上，又与 Bw Sst 中间神经元表现相似，均晚于 PV 中间神经元。

研究结论

基于实验结果，研究人员认为 PV 中间神经元是控制兴奋性神经元放电时间的主要节律性抑制来源。其强大的 γ 相位锁定能力，以及向大量兴奋性神经元的广泛投射和对胞体的直接抑制作用，使其在调节神经活动同步化方面发挥关键作用。而 Sst 中间神经元相对较弱的 γ 相位锁定，以及较晚的放电时间，表明其在 γ 振荡中并非起同步化的核心作用。

研究结果支持两种理论模型。在 PV-based PING 模型中，PV 中间神经元控制 γ 振荡的时间，Sst 中间神经元通过调节 PV 和兴奋性神经元的兴奋性来控制 γ 振荡的幅度。在 PV/Sst-based double PING 模型中，PV 和 Sst 中间神经元在 γ 周期中发挥互补作用，PV 中间神经元快速响应兴奋性神经元的激活，通过胞体抑制减少兴奋性神经元放电；Sst 中间神经元则在 γ 周期晚期放电，延长对兴奋性神经元和 PV 中间神经元的抑制，稳定 γ 振荡的动力学，增强其幅度。

Sst 中间神经元的两个亚型在视觉诱导的 γ 振荡中可能发挥不同作用。Nw Sst 神经元对锥体神经元树突的节律性抑制贡献较大，可能与非 Martinotti 细胞（NMC）部分重叠；Bw Sst 中间神经元主要为 Martinotti 细胞，其相对较弱的 γ 相位锁定与已有研究结果相符。

研究展望与局限

该研究揭示了 PV 和 Sst 中间神经元在视觉诱导的 γ 振荡中的重要作用，但仍存在一些局限性。例如，研究未通过同时记录神经元的尖峰序列互相关图来研究细胞类型之间的关系，而是参考 LFP γ 振荡来分析时间关系，未来需要进一步探究不同细胞类别的神经元之间的精确时间关系。此外，因果实验虽能表明 Sst 和 PV 中间神经元对 γ 振荡幅度的影响，但无法完全确定它们在协调精确放电时间中的因果作用，需要更精细的因果实验方法。研究使用的刺激较为单一，未探究 Sst 和 PV 神经元放电与刺激属性及行为的关系，且系统研究单细胞相位锁定对刺激属性的依赖需要更多的神经元数据。

未来的研究可以在这些方面展开深入探索，进一步完善对 γ 振荡机制的理解，为神经科学领域的发展提供更丰富的理论依据，也为相关神经疾病的研究和治疗提供潜在的靶点和方向。