撰稿 | AiBrain 内容团队

排版 | AiBrain 编辑团队

神经退行性疾病（包括阿尔茨海默病 [Alzheimer’ s disease]）的一个主要病理特征是连接双侧脑半球的白质以及解剖学上相互对应的双侧脑区之间的相关活动显著减少。然而，大脑跨半球（cross-hemispheric，CH）通信背后的回路机制及其与认知的相关性尚不清除。

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(22)00668-7

美国麻省理工学院（MIT）蔡立慧团队的一项新研究发现，新异事物识别（novelty discrimination）任务会激活CH神经元，并增强视觉皮层中相应区域的神经同步振荡。CH神经元可以提供双侧脑半球间神经同步振荡所需的兴奋性驱动，抑制单侧的CH回路足以削弱和影响神经同步振荡以及新奇事物辨别行为。

该团队发现，在5XFAD和Tau P301S小鼠模型改变跨半球通讯后，小鼠对新奇事物的辨别能力受损。上述研究数据揭示了迄今为止尚未阐明的视觉皮层CH回路，建立了CH回路与新奇事物辨别行为之间的因果联系，同时强调了神经退行性疾病小鼠模型中CH回路的受损情况。相关研究结果发表于8月19日的Neuron。

虽然研究结果来自于小鼠实验，但其为先前对人类患者的观察结果提供了生理学和机制基础：每侧大脑半球对应区域之间的节律同步性的减弱程度与临床痴呆的严重程度相关。

具体而言，该团队发现当连接每侧大脑半球初级视觉皮层（V1）的神经元受到破坏（无论是由于模拟阿尔茨海默病的基因改变还是直接实验室干扰）时，脑节律同步性会降低，小鼠对围栏壁上新图案的察觉能力也明显下降。这种对新奇事物的识别需要对前一天该处出现的事物有视觉记忆，而这种能力在阿尔茨海默病中通常会被破坏。

皮考尔教授、皮考尔研究所所长、MIT“衰老大脑计划”（Aging Brain Initiative）负责人、本文通讯作者蔡立慧（Li-Huei Tsai）教授表示：“这项研究证明，γ节律的同步性通过跨半球连接在双侧脑半球间传递。同时，这项研究还表明阿尔茨海默病小鼠模型的CH回路中断与特定的行为缺陷有关。”

在研究中，Adaikkan、Tsai、Thomas McHugh及其他联合作者发现并追踪了V1神经元，这种神经元的轴突通过连接双侧脑半球的胼胝体一直延伸至对侧大脑的V1细胞。

他们发现，跨半球（CH）神经元与目标细胞建立连接或突触，并为其提供“兴奋性”刺激以驱动它们的活动。

Adaikkan还发现，相较于一般的V1神经元或其他与记忆密切相关的脑区（如海马体或前额叶皮质）的神经元，CH神经元更有可能被新奇事物辨别任务所激活。

为了探究CH神经元在阿尔茨海默病中的差异，研究组观察了两种不同阿尔茨海默病小鼠模型的细胞活动。结果发现，CH神经元的活性在疾病中显著降低。不出所料，阿尔茨海默病小鼠在新奇事物辨别任务中的表现要差得多。

研究组对CH细胞进行了仔细的检查，他们发现CH细胞从V1及脑半球其他视觉信息处理区域的各种其他细胞处收集传入的信息。

在对健康状态与阿尔茨海默病CH细胞的传入连接进行比较时，研究组发现处于疾病状态的CH细胞用于接收传入连接的树突复杂度和树突棘明显更少。

由于观察到阿尔茨海默病中脑节律同步性降低与记忆表现的相关性，研究组试图了解这种情况是否也会发生在小鼠身上。为了找到答案，研究组定制了电极，同步测量每侧V1所有皮质层中的节律性活动。

科学家们对连接双侧脑半球视觉皮层的神经元进行了追踪和研究

他们观察到，当小鼠参与新奇事物辨别时，双侧V1间的跨半球同步性显著增加；但阿尔茨海默病小鼠的脑节律同步性（无论是高频率的γ节律还是低频率的θ节律）显著低于健康小鼠。

因此：CH神经元提供了双侧V1区域相互协调并实现新奇事物辨别的途径，而这种能力会因阿尔茨海默病导致的CH细胞连接退化而被削弱。但这仍然只是提示性证据。

为了以更加直接的方式确定CH回路是否发挥了这样的因果作用，研究组对CH细胞进行了直接的干预和破坏，从而测试这种针对性干扰所带来的影响。

他们发现，使用化学遗传学抑制CH细胞会破坏V1之间的节律同步性，这与阿尔茨海默病模型小鼠的测试结果相对应。此外，干扰CH活动会削弱辨别新奇事物的能力。

为了进一步测试细胞的跨半球特性对此是否具有重要意义，该团队使用光遗传学激活CH连接上，并在另一侧脑半球阻止这些连接的传递。结果发现，这样做又一次削弱了视觉辨别能力。

综上，本研究结果表明：V1中的CH细胞与对侧脑半球对应区域的神经元相互连接，从而同步进行正确辨别新奇事物所需的神经活动，但阿尔茨海默病对CH细胞完成这项工作的能力造成了破坏。

Adaikkan表示，他现在非常希望对其他潜在的跨半球连接及其在阿尔茨海默病中可能受到的影响进行探索，并研究脑节律同步性在其他节律频率下会有怎样的表现。