撰稿 | AiBrain 内容团队

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在嗅觉系统中，嗅觉感觉神经元投射到嗅球（OB），在嗅小球层（GL）中，它们与僧帽和簇状细胞（MC和TC）的顶端树突形成突触，分别是OB的输出投射神经元。MC和TC细胞由大量GABA能中间神经元形成。

前嗅核（AON）和前梨状皮层（APC）形成前嗅皮层（AOC），是OB输出的主要接受者。与皮质丘脑投射通路一样，AOC将广泛的谷氨酸能投射发送回OB中几乎所有类型的神经元¹。OB还接收来自基底前脑的GABA能外部输入。OB中基底前脑GABA能轴突的光遗传学刺激导致MC的双向调节，基底前脑GABA能投射也被证明会影响OB振荡、MC放电同步和嗅觉辨别²。

2022年11月12日，法国巴黎城市大学的巴斯德研究所国家科学研究中心Perception and Memory Unit团队在《Nature communications》杂志上发表了题为“Long-range GABAergic projections contribute to cortical feedback control of sensory processing”的研究文章，成功揭示了除了皮质谷氨酸能外，AOC还将GABA能投射发送回OB。

为了确定AOC是否将GABA能投射发送回OB，作者在AOC的GABA能和谷氨酸能细胞中使用顺行标记的病毒策略（图1a）。GABA能轴突优先积累在GCL至MCL，谷氨酸能轴突更集中在深GCL中，密度向MCL逐渐降低（图1b）。

此外，为了确认OB中标记的皮质轴突的GABA能性质，作者在VGAT-Cre小鼠的AOC中注射了病毒。在OB中，Synaptophysin-mRuby与VGAT免疫染色广泛共定位（图1c）。另一个确定的GABA能输入到OB的来源来自对角带和大细胞视前区（NDB/MCPO）的细胞核。作者直接比较了嗅觉皮层GABA能轴突在AOC与NDB/MCPO两个大脑区域中OB神经支配模式（图1d）。发现神经支配模式在GL中明显不同（图1e，f）。

综上结果表明AOC将GABA能轴突发送回OB，并且这些投射可与完善的皮质-延髓谷氨酸能投射和基底前脑GABA能投射区分开来。

图1. 神经支配模式在GL中明显不同

为了确定皮质GABA能在OB的来源，作者采用了条件逆行标记方法（图2a）。逆行标记的细胞主要存在于AON、APC和NDB/MCPO中，在后梨状皮层和Tenia tecta中也有发现（图2a-c）。生长抑素（SOM）、小白蛋白（PV）和血管活性肠肽（VIP）是皮质中绝大多数GABA能神经元的特征。

为了鉴定由OB投射皮质GABA能神经元优先表达的标记物，作者首先在SOM-Cre、VIP-Cre或PV-Cre小鼠的AON/APC中注射AAV-Flex-ChR2-TdTomato。在SOM-Cre小鼠中观察到OB中的大量轴突神经支配，而在另外两种基因小鼠中检测到非常稀疏的投射（图2d）。

相反，在OB中注射Cre依赖性逆行载体发现SOM-Cre中的神经元数量比VIP-Cre或PV-Cre小鼠更密集（图2d，e）。作者在逆行标记的GABA能神经元（图2f）中对蛋白质SOM进行了免疫染色。在嗅觉皮层中发现很大一部分OB投射GABA能神经元在AONd、AONl、AONm、APC和PPC中与SOM共标记，但在AONv或AONp中没有（图2g）。关于OB投射GABA能神经元是否会将轴突侧支发送到大脑的其他地方。作者发现这些AONp GABA能神经元优先支配嗅觉系统（AONl、AONv和APC），并且在非嗅觉区域具有有限的投射（图2h）。

图2. AONp GABA能神经元优先支配嗅觉系统

在嗅觉系统中，作者测试了皮质GABA能输入是否在OB神经元上形成功能性突触，以及GABA能输入是否表现出靶向选择性。ChR2在AON和APC的GABA能细胞中选择性表达，这两个区域由~95%的OB投射皮质神经元组成（图2c）。并且在急性OB切片中获得全细胞记录结果（图3a）。在响应神经元中，GABA能轴突的光刺激引起短潜伏期突触后电流（PSC）。PSC的特征在于在氯化物的反转电位（图3b）处发生I-V线性关系，并且在NBQX存在下保持不变，但GABA被Gabazine完全消除（图3c，d），证实了记录的PSC是GABA能神经元。OB神经元根据其内在特性，形态，体细胞大小和OB切片中的层流位置进行分类（图3e）。在大约一半的测试兴奋性神经元（MC，TC和eTC）中检测到IPSC。在GCL抑制神经元中，与GC相比，dSACs具有更强的突触连接性和更大的电流幅度（图3f，g）。因此，皮质GABA能投射为各种OB神经元提供直接的抑制性和兴奋性功能输入。

图3. 皮质GABA能投射为各种OB神经元提供功能输入

为了评估皮质GABA能投射对其主要靶层（GCL）的功能影响，作者在自由移动的小鼠中采用了光纤钙信号记录，腹侧OB中对AOC GABA能投射进行光刺激（图4a）。对ChRimson光刺激导致GCL GABA能神经元自发活性的整体降低，将光刺激频率增加到连续光脉冲诱导GCL神经元活性的抑制增加（图4b）。

接下来，作者研究了GABA能投射刺激对GCL气味诱发活性的影响。气味刺激诱导GCL神经元产生强烈的细胞反应（图4c）。与没有光刺激的气味反应相比，GABA能投射光刺激有效地抑制了33Hz和CL的气味反应，但不抑制10 Hz的刺激模式（图4c）。

因此，皮质GABA能轴突刺激有效地抑制GCL GABA能神经元中的自发和气味诱发活性。同时皮质GABA能轴突的光刺激抑制了MC/TC活性（图4d）。

图4. 皮质GABA能轴突刺激有效抑制气味诱发活性

作者根据实验结果建立了OB的细胞模型（图5a）表明，GABA能投射对MC/TC和GC均有净抑制作用（图5c，d）。在与体内观察到的GC和MC/TC放电速率一致的一系列值下观察到了这种效应（图5b）。

图5. GABA能投射对MC/TC和GC均有净抑制作用

接下来，作者研究MC和TC是否同样受到GABA能投射的抑制。进行了清醒的头部固定小鼠双光子钙成像记录（图6a，c）。皮质GABA能轴突的光刺激在33Hz和CL下诱导了绝大多数MC和TC细胞的自发活动显着降低（图6d）。在MC中，与33Hz刺激相比，CL刺激显着降低了大部分细胞的活性，并且抑制反应幅度更大。在TC中未观察到这些差异。与不表达ChIEF的对照动物相比，表达ChIEF的动物的光诱导抑制反应幅度大10倍（图6d）。

GABA能投射输入减少了OB中的自发活动，但它如何影响传入的感觉前馈信息？气味刺激在MC和TC中诱导抑制和兴奋反应，但相对比例不同（图6e)。光抑制的大小和气味反应不相关，导致气味诱发的细胞活性线性递减（图6f）。

与MC和TC中气味反应的线性递减一致，刺激GABA能轴突特别增加了TC中两种不同气味表示的差异（图6g）。

图6. MC和TC受到GABA能投射的抑制

图7. GABA能投射调节有助于嗅觉感知

参考文献及文章链接：

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34513-0