跳到主要内容
访问密钥 NCBI主页 MyNCBI主页 主要内容 主导航
前神经电路。2007; 1: 5.
2008年3月28日在线发布。2007年11月26日在线预发布。 数字对象标识：10.3389/神经.04.005.2007
预防性维修识别码：PMC2526280型
PMID：18946547

重组狂犬病病毒逆行追踪显示小鼠皮层第5层树突状结构与投射靶点的相关性

德莱恩·D·拉森,1,† 伊恩·维克沙姆（Ian R.Wickersham）,1,‡和爱德华·M·卡拉威1,*
作者信息 文章注释 版权和许可信息 PMC免责声明

摘要

用重组狂犬病病毒作为逆行示踪剂，使小鼠初级体感皮层（S1）第5层中已识别的投射神经元的轴突和树突树突树干完全充满体内先前的研究已经区分了S1中三种类型的第5层金字塔：塔形金字塔、塔形金字塔和短金字塔。第5层锥体神经元从几个已知靶点逆行标记：对侧S1、上丘和丘脑。重建标记细胞的完整树突树干，以便对细胞类型进行明确分类。我们证实，如前所述，高突锥体投射到上丘和丘脑，短层5锥体神经元投射到对侧皮层。我们发现高度复杂的锥体神经元有助于皮层连接。轴突重建显示，皮质投射神经元在局部具有较大的浅表轴突树状结构，而皮质下投射神经元将轴突树突局限于深层。此外，局部轴突的重建表明，高细胞轴突具有广泛的横向扩展，而短金字塔的轴突则更呈柱状。这些差异通过完全标记树突和轴突树干的能力得以揭示体内在之前的脑切片标记研究中，这一现象并不明显。

关键词：局部回路、锥体神经元、轴突分支、桶状皮层、狂犬病病毒、丘脑、上丘

介绍

新皮质的信息处理需要潜在皮层电路的精确连接。单个皮层神经元在许多层面上进行精确连接，包括它们投射到的外部靶点、局部轴突树突的层流特异性，以及它们连接到的特定细胞类型。对于任何给定的皮层神经元类型，在每个特异性水平上所做的选择都是相关的，可能是为了将给定皮层区域内的局部计算与接收皮层输出的远程结构的计算需求相匹配。这里我们关注第5层锥体神经元，它提供主要的皮层输出，可以分为不同的细胞类型。

我们实验室以前的工作根据轴突和树突形态区分了小鼠初级体感皮层（S1）第5层中的三种锥体神经元：高趾、高趾和短趾（Larsen和Callaway，2006).体外标签研究（Larsen和Callaway，2006)已经表明，高层和短层5锥体神经元这两种细胞类型具有相似的局部轴突树状结构的层流特异性，在深层和浅层都有树状突起。相反，第5层锥体神经元主要在皮层深层有轴突分支。其他研究表明，第5层金字塔神经元在皮层下投射到上丘和丘脑等靶区（Bourassa等人。，1995; Deschenes等人。，1994; 游戏和葡萄酒，1988; Hallman等人。，1988; Hubener和Bolz，1988; Hubener等人。，1990; Killackey等人。，1989; Larkman和Mason，1990; Tsiola等人。，2003; Veinanate等人。，2000; 怀斯和琼斯，1977). 短层5锥体神经元被证明是皮质投射神经元（Games和Winer，1988; Hallman等人。，1988; Hubener和Bolz，1988; Hubener等人。，1990; Larkman和Mason，1990). 高度简单的第5层锥体神经元有一个未知的投射靶点，但之前已有描述（Akemann等人。，2004; Chagnac Amitai等人。，1990; Kim和Connors，1993; Tsiola等人。，2003).

我们有兴趣更好地了解局部轴突投射、外源性投射和解剖细胞类型之间的关系。例如，顶端树突状簇（高大的单细胞和高突细胞）的存在是否预示着与皮层下结构的联系？或者，局部轴突乔木的模式（例如，向浅层的投射）与外部连接之间是否存在相关性？此外，不同细胞类型的轴突乔木之间是否存在更细微的差异，这些差异在有限的轴突重建中并不明显在体外标记？了解这些相关性对于了解每种第5层锥体细胞类型在皮层和皮层下信息处理中的独特作用至关重要。

我们最近描述了一种重组狂犬病病毒SADΔG-EGFP，其功能几乎是理想的逆行示踪剂（Wickersham等人。，2007). 就像自然发生的狂犬病病毒一样，它通过轴突末端感染；然而，由于其包膜糖蛋白基因已被删除，它不能跨突触体传播，而是作为一级逆行示踪剂，仅标记投射到注射部位的细胞。由于删除的基因已被EGFP的编码序列取代，这些感染细胞表达大量EGFP，从而可以轻松解析精细的解剖细节（Wickersham等人。，2007).

在这里，我们使用这种重组狂犬病病毒逆行标记来自三个已知投射靶点的第5层锥体神经元：对侧S1、上丘和丘脑。我们发现局部轴突树状结构模式与外源性投射靶点相关：高锥体和短锥体神经元均向2/3层有局部投射，向其他皮质区有外源性投射，高突锥体神经元在深层有局部投射，在皮层下有外源性投射。此外，标记更广泛的局部轴突的能力体内脑切片显示，高层和短层5锥体神经元向浅层的局部轴突投射存在差异。与短锥体神经元的柱状投射相比，高锥体神经元在浅层具有较大的横向扩散，呈斑块状投射。

材料和方法

动物

C57BL6小鼠取自哈兰，并保持12小时的光/暗循环。所有动物均按照机构和NIH《实验动物护理和使用指南》进行治疗。

病毒注射

C57BL6小鼠用氯胺酮（100 mg/kg IM）和木聚嗪（10mg/kg IM）麻醉。将病毒装入拉动式玻璃移液管（尖端内径为30–50μm）中，并使用Picospritzer III（Parker Hannifin/General Valve Corporation，新泽西州费尔菲尔德）以大约20 nl/min的速度注射。在以下位置注射180–600 nl病毒（7.5E7-2.5E8感染单位），立体定位坐标以毫米为单位，相对于角：桶皮层：-1.7 AP，+3 LM，-1.5 DV。上丘：−3.64 AP，+1.0 LM，−1.75 DV。丘脑：−2.06 AP，+1.125 LM，−3 DV。病毒的产生和滴度如前所述（Wickersham等人。，2007).

小鼠在注射4%异氟醚后7天被深度麻醉，并在PBS中经心灌注4%多聚甲醛。将大脑固定后，在PBS的4%多聚醛/30%蔗糖中冷冻过夜，然后在PBS内的30%蔗糖中保存至切片。在冷冻切片机上，在100μm的冠状面上对大脑进行切片。

免疫组织化学

GFP的免疫组织化学用于可视化神经元形态，并产生比天然GFP更明亮、更稳定的标记，以便进行重建。将切片在封闭溶液（10%NGS，2%BSA，0.25%Triton-X 100，0.1 M PB）中培养2小时。然后将切片在4°C的多克隆抗GFP（1:1000，Molecular Probes，Eugene，OR）中培养过夜。用Cy3缀合的第二抗体（1:100；Chemicon，Temecula，CA）观察第一抗体。染色后，用DAPI（10 uM，Sigma）对切片进行复染，以确定层流和区域边界。然后将节段安装在底层载玻片上，脱水，并用Krystalon安装介质（Fisher）覆盖滑动。

数据分析

使用奥林巴斯荧光显微镜和Neurolucida计算机化重建系统（弗吉尼亚州威利斯顿市MicroBrightfield）重建神经元。首先，绘制每个选定截面的低倍（10×物镜，0.5 NA）地图。图谱包括所有标记细胞的细胞体位置、层状边界和桶状皮层的边界。然后以更高的功率（60×油浸物镜，1.40 NA）重建所选细胞的树突状突起，而不了解皮层。完成后，将神经元重建覆盖在包含皮层的低倍图像上进行分析。使用定制的基于MatLab的程序分析每个神经元每层的树枝状分支点数量。在NeuroExplorer软件包（弗吉尼亚州威利斯顿市MicroBrightfield）的分析部分中获得了树突顶端的总长度。

分析中只包括注射部位明确位于正确结构内的动物，这些注射部位通过标记胶质细胞的存在来确定。每个靶点的注射位置示例如图所示​图1。1对于每个注射结构，重建的神经元来自至少2只单独的动物，所有神经元位于初级体感皮层的桶区，由细胞密集的桶隔识别。根据我们之前对脑切片中标记的神经元进行定量研究时确定的标准，将神经元分为高突、高样或短锥体神经元（Larsen和Callaway，2006). 共重建了30个第5层锥体神经元的树突树干，以便进行明确的分类：13个皮质神经元、9个皮质神经元和8个皮质丘脑神经元。我们还重建了6个神经元的轴突：2个皮质高突起，2个皮质短突起，1个皮质高突和1个皮质丘脑高突。

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为fncir-01-005-g001.jpg

通过免疫组织化学观察EGFP（B、D、F）的病毒注射部位示例的显微照片注射由大量标记的胶质细胞识别，也可以在DAPI复染中看到(A、 C、E)像一片片标记鲜明的细胞。所示注射部位仅来自一个截面；大多数位点在前后轴延伸5～10个断面。对于上丘的图像(A、 B类)和丘脑(C、 D类)中线在右侧，背部在顶部。对于大脑皮层的图像(E、 F类)中线在右侧，软脑膜表面在顶部。面板D中的比例尺为500 um，适用于面板A、 B、C、，和D类.面板中的比例尺F类为250 um，适用于面板E类和F类.

数字​图11和​和22通过将Optronics MicroFire相机（加利福尼亚州Goleta的Optronics）提供的软件中的图像导入Adobe Photoshop，然后导入Adobe Illustrator来准备。对这些图像的亮度和对比度进行了最小的更改。

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为fncir-01-005-g002.jpg

利用表达EGFP的糖蛋白缺失狂犬病病毒对锥体神经元进行典型标记的显微照片通过免疫组化EGFP和Cy3-结合二级抗体观察金字塔神经元(A、 C、E、G)层流边界由DAPI复染确定(B、 D、F、H). 对于所有图像，软脑膜表面都朝向顶部。上丘注射的神经元被逆行标记(A、 B类)、丘脑(C–F类)和对侧S1(G、 小时). 标记自上丘的神经元与图中示例注射部位来自同一动物​图1B：。1B.由于标记物的密度，C组丘脑注射量太大，无法进行重建，但说明了轴突树状结构的差异，在深层存在大量轴突，而在表层几乎没有标记物。H中的比例尺为250 um，适用于所有图像。

结果

神经元标签的质量

我们利用重组狂犬病病毒SADΔG-EGFP作为逆行示踪剂标记S1初级桶野第5层的锥体神经元。许多传统的逆行追踪技术在完全标记神经元形态方面能力有限。一些小组将逆行标记与荧光染料和随后的细胞内填充相结合，以揭示标记神经元的形态（例如Katz、，1987). 将SADΔG-EGFP狂犬病病毒用作逆行示踪剂有几个优点，包括只被注射部位的突触终末（而不是传代轴突）吸收，并且能够在细胞内复制并表达极高水平的EGFP（Wickersham等人。，2007). 此外，由于出现了标签体内，不会像在准备脑切片时那样丢失远处的轴突突在体外标记。SADΔG-EGFP狂犬病病毒无法通过突触体感染其他神经元，病毒表达的EGFP完全充满神经元，使树突和轴突可见（图​（图22).

细胞类型的定量比较

在先前对第5层锥体神经元发育的研究中（Larsen和Callaway，2006)我们确定了客观标准来区分3种不同类型的第5层锥体神经元。在那项研究中，神经元在皮层切片中用生物细胞素进行细胞内标记，并被分为高度突起、高度简单或短突起。两个主要特征可用于可靠区分细胞类型：第一层内存在根尖簇和根尖树突总长度。短金字塔的识别最简单；顶端枝晶未能到达第1层。高大金字塔和高突金字塔在第1层都有顶端簇，但顶端树突总长度在数量上有所不同。最值得注意的是，树突顶端总长度的分布没有重叠（Larsen和Callaway，2006). 观察到高层5锥体神经元有轴突投射到浅层，而高层5金字塔神经元没有轴突投射，这进一步证明了这一测量的有效性。

在本研究中，我们使用这些相同的标准对第5层锥体神经元进行明确分类。对具有不同外源性投射的神经元的树突总长度进行定量比较（见下文），进一步加强了这些标准的有效性。我们还测量了树突顶端分支的数量，并在此报告了这种测量方法在细胞分类中的实用性。

上丘标记的锥体神经元

我们通过在上丘注射，重建了3只小鼠的9个神经元的树突树干，跨越所有层。所有9个神经元都具有高突层5锥体神经元的外观（图​（图3）。三). 高突形态的特征是具有顶端树突的大细胞体，其延伸至第1层，并以末端位于第1层的大型顶端树突簇结束（图​（图3）。三). 这些结果与之前使用更传统示踪剂（游戏和葡萄酒，1988; Hallman等人。，1988; Hubener和Bolz，1988; Hubener等人。，1990; 科斯特和奥利里，1992; 斯科菲尔德等人。，1987; Tsiola等人。，2003; 王和麦考密克，1993). 这9个神经元的顶端树突长度从3.23到6.04毫米不等，平均为4.79±0.33毫米（图​（图4A；4A；平均值±SEM）。树突顶端分枝总数为32～66个，平均49.22±3.89（平均±SEM），大多数分枝发生在2/3层（21.89±1.78；平均值±SEM；图​图4B）4B） 第5层（24.78±3.20）；平均值±SEM；图​图44B） ●●●●。

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为fncir-01-005-g003.jpg

每个注射部位神经元重建的典型示例线定义了每个皮层的层流边界。上面的线表示截面的顶部，层1包含在层2/3中。神经元根据注射部位和细胞类型进行分组。比例尺为250微米，适用于所有图纸。

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为fncir-01-005-g004.jpg

按细胞类型重建并绘制的所有第5层锥体神经元的树突总长度分布.（A）高突5层锥体神经元的树突总长度明显大于高突5或短突5层神经元(第页 < 0.001;t吨-测试）。条形图表示树突顶端分支点的数量(B类)和基底树枝状支点(C类)每个皮质层中的每个细胞（平均值±SEM）。星号表示与高大神经元的显著差异。三角形表示与短神经元的显著差异。钻石表示与高突皮层神经元有显著差异。方形表示与高突皮质丘脑神经元的显著差异。一个符号=第页 < 0.05,t吨-测试。两个符号=第页 < 0.001,t吨-测试。

丘脑标记的金字塔神经元

我们用丘脑注射法重建了2只小鼠8个神经元的树突。所有8个神经元均具有高突层5锥体神经元的外观，与上述皮层神经元具有相同的特征（图​（图3）。三). 我们的丘脑注射量很大，包括多个细胞核，但两次注射都包括后组（Po），即第5层标记的神经元的可能靶点（Bourassa等人。，1995).

这8个神经元的树突顶端长度为2.81至5.88 mm，平均为4.25 mm±0.38（图​（图4A；4A；平均值±SEM）。树突顶端分枝总数为32～66个，平均45.50±3.94（平均±SEM），大多数分枝发生在2/3层（13.88±2.15；平均值±扫描电镜；图​图4B）4B） 第5层（26.25±4.20）；平均值±SEM；图​图4B）。4B） ●●●●。这些值与SC-投射神经元的树突顶端总长度没有显著差异(第页-值=0.3，t吨-测试）或树突顶端分支的数量(第页-值=0.5，t吨-测试）。总共17个高突神经元（SC和丘脑投射）的树突顶端长度为2.81至6.04，平均为4.54 mm±0.25（平均值±SEM），显著大于(第页 < 0.001,t吨-测试）高于高层或短层5锥体神经元（见下文）。根尖树突分支的总数从32到66个不等，平均为47.47±2.72（平均值±SEM），显著高于(第页 < 0.001,t吨-测试）高于高层或短层5锥体神经元（见下文）。

对侧S1标记的锥体神经元

我们通过注射对侧S1重建了3只小鼠13个神经元的树突。我们从这些皮层注射中识别出2种锥体神经元。13个神经元中有4个是短层5锥体神经元（图​（图3）。三). 短层5锥体神经元的特征是细胞体较小，顶端树突只延伸到2/3层，浅层几乎没有分支。在以前的研究中，短层5锥体神经元被确定为皮质投射神经元（Games和Winer，1988; Hallman等人。，1988; Hubener和Bolz，1988; Hubener等人。，1990; 科斯特和奥利里，1992). 这4个神经元的树突顶端长度为0.76至1.91 mm，平均为1.41 mm±0.24（平均值±SEM）。顶端树突分支的总数在8-17个之间，平均为13.00±1.96（平均值±SEM），大多数分支出现在第5层（12.25±1.75；平均值±SEM；图​图44B） ●●●●。

13个神经元中剩下的9个被鉴定为高5层锥体神经元（图​（图3）。三). 高度简单的第5层锥体神经元的特征是，与高度简单的神经元相比，其细胞体更小、更长，顶端树突延伸至第1层，以简单的簇状突起结束。以前的研究将短层5锥体神经元确定为皮质投射神经元的来源，但没有观察到高度简单的细胞类型。这9个神经元的树突顶端长度为0.95至2.77 mm，平均为1.83 mm±0.21（平均值±SEM）。顶端树突分支的总数在10至26个之间，平均为17.67±1.77（平均值±SEM），大多数分支出现在第5层（10.56±2.01；平均值±SEM；图​图4B）4B） 2/3层有少量分支（13.88±2.15）；平均值±SEM；图​图44B） ●●●●。

局部轴突乔木

为了研究每种5层锥体神经元类型的轴突轴索，我们重建了一个子集神经元的轴突树，包括每种细胞类型的2个神经元。尽管如此低n个排除了我们对轴突形态进行有意义的定量分析，我们想注意到对这些轴突的目视检查（见图​图5）5)与我们之前的报告非常一致，即高层5锥体神经元在皮层深层投射局部轴突，而高层和短层5锥面神经元则向表层广泛投射。然而，通过体内标记结果显示，短层5锥体神经元的轴突与高层5锥体神经细胞的轴突存在意想不到的差异。浅层的轴突投射不同：两个短层5锥体神经元的轴突相对呈柱状，而两个高层5锥面神经元的轴轴突在2/3层内有广泛的横向扩张和斑片状轴突。在我们标记的神经元样本中，这种定性差异并不明显在体外.

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为fncir-01-005-g005.jpg

每个注射部位神经元重建的典型示例神经元图示为灰色的轴突和黑色的树突。线条定义了每个皮质层的层流边界。上面的线表示截面的顶部，层1包含在层2/3中。神经元按细胞类型分组。图中还包括所示的两个短层5锥体神经元​图3，三，不包括轴突。比例尺为250微米，适用于所有图纸。

讨论

在之前的一项研究中，我们检测了小鼠S1锥体神经元的层特异性轴突分支的发育，我们能够区分第5层中3种不同的锥体细胞类型：高脚型、高脚型和矮脚型（Larsen和Callaway，2006). 文献中还没有很好地描述第5层锥体神经元，这种细胞类型的投射靶点未知。我们感兴趣的是，高层次的5层锥体神经元是否与高层次或短层次的5级锥体神经元具有相同的外部连接。如果高度简单的第5层锥体神经元与高度复杂的第5层次锥体神经元共享投射，则两种细胞类型的树突形态，以及第1层中存在顶端树突簇，与投射目标相关。如果高层次5层锥体神经元与短层次5层神经元共同投射，则轴突形态与投射靶点相关，这两种细胞类型的浅层均存在轴突树突。这两个可能的结果都对不同的第5层锥体细胞类型在皮层回路中的作用有启示。

我们发现，细胞类型的轴突形态与投射靶点的相关性大于树突形态（图​（图6）。6). 在本研究重建的30个5层锥体神经元中，高层和短层5锥体神经元占全部皮质投射神经元，而高层5锥体神经元占皮质丘脑和皮质顶盖投射神经元。

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为fncir-01-005-g006.jpg

示意图总结了第5层中三种细胞类型之间的形态、输入和投影目标的结果和差异高突5层锥体神经元向丘脑核Po和上丘皮质下投射，仅在深层维持局部轴突树突。这种细胞类型在第1层接受广泛的输入，可能来自丘脑核Po、皮质投射和局部抑制神经元。高而简单的第5层锥体神经元投射到其他皮层区域，并在浅层和深层维持局部轴突。此外，2/3层内的轴突树枝状结构呈斑块状，并在水平方向上延伸得更远。这种细胞类型也接收来自第1层的输入，但明显少于第5层的塔形神经元。短层5锥体神经元也投射到其他皮层区域，并在皮层的浅层和深层维持局部轴突，但与高层神经元不同，它们的表面投射更呈柱状。短层5锥体神经元无法接收层1的输入，很可能正在整合其他皮层区域的输入。

我们的观察进一步强化了高大簇状神经元和高大简单锥体神经元之间的明显二分法。顶端树突状簇的存在并不意味着这些细胞属于单一类型。从局部轴突乔木和外部突起来看，高大复杂细胞类似于短金字塔，与高大金字塔有明显区别。此外，定量测量表明，无论是在高突神经元还是高突神经元的树突总长还是树突分支数量上，它们之间都没有重叠。

不同投射神经元之间轴突和树突形态的差异对于不同类型的细胞融入皮层回路具有重要意义。树突状树枝状结构的差异为了解每种细胞类型的输入可能存在的差异提供了依据，而轴突形态的差异则为了解它们的不同输出提供了依据。

我们观察到的细胞类型的树突状树干之间最明显的差异是在第1层。高突细胞在第1层内接受大量输入，高突细胞显著减少，而短突细胞根本无法接受任何输入。这表明，这些单元类型的输入可能与目标层1的源不同。大多数局部兴奋性连接并不优先针对第1层，对脑切片中功能输入的研究表明，所研究的所有第5层细胞类型都接收来自所有皮层层（第2-6层）的局部兴奋性输入（Briggs和Callaway，2005; Feldmeyer和Sakmann，2000; 雷耶斯和萨克曼，1999; 舒伯特等人。，2001; 汤姆森和迪查斯，1997). 因此，这些细胞很可能从遥远的兴奋源和局部抑制神经元接收到不同的输入。靶向第1层的可能兴奋性输入源包括丘脑输入和皮质-皮层连接（Cauller等人。，1998; Cetas等人。，1999; 赫肯汉姆，1980; Llinas等人。，2002; 卢和林，1993; 米切尔和考勒，2001; Oda等人。，2004; 罗克兰和潘迪亚，1979; 怀斯和琼斯，1976,1978). 差异抑制可能来自第1层抑制神经元（Anderson等人。，1992; Chu等人。，2003; 赫斯特林和阿姆斯特朗，1996; Winer和Larue，1989; 周和哈布利茨，1996)或者来自位于深层的Martinotti细胞，这两种细胞在延伸至第1层的顶端树突上形成突触（Silberberg和Markram，2007; Wang等人。，2004). 例如，成对记录显示，第5层马丁诺蒂细胞对第5层塔尖提供反馈抑制（Silberberg和Markram，2007).

树突状形态学可以突出不同细胞类型输入的可能差异，同样，轴突形态学可以突出它们输出的可能差异。通过逆行标记每种类型的细胞，我们清楚地揭示了皮层下结构与对侧皮层的输出差异。这些差异被证明与局部轴突层特异性的差异密切相关。5层短金字塔和5层高金字塔都与皮质层相连，局部轴突延伸到表层，而塔式金字塔则在皮层下投射，将局部轴突限制在深层。

由于这些细胞的局部轴突可以很好地保存在脑切片中，许多研究已经对由第5层金字塔介导的局部功能联系提供了相当多的见解。我们的观察进一步揭示了可能介导这些连接的细胞类型，以及它们如何与外源性投射相关。从第5层到第2/3层的功能性兴奋连接必须由短金字塔和高金字塔提供，而不是由高金字塔提供。功能研究表明，这些到2/3层的突起可能接触其他5层锥体神经元的远端顶端树突（Deuchars等人。，1994; 汤姆森和迪查斯，1997)，第2/3层的中间神经元（Dantzker和Callaway，2000)和2/3层锥体神经元，尽管频率较低（Reyes和Sakmann，1999; 牧羊人和斯沃博达，2005; Shepherd等人。，2005; 汤姆森和班尼斯特，1998). 高突的第5层锥体已被证明在其他第5层神经元的基底树突上形成突触（Feldmeyer和Sakmann，2000; 马克拉姆，1997; Markram等人。，1997; 舒伯特等人。，2001)以及第5层抑制神经元（Silberberg和Markram，2007; 汤姆森和迪查斯，1997).

虽然高层和短层5金字塔有很多共同点，但它们是不同的细胞类型。除了它们在树突顶端形态上的明显差异外，我们的有限样本还表明它们在2/3层内的局部轴突树突之间存在进一步的差异。重建的两个短层5锥体神经元的轴突在2/3层有一个相对柱状的投影（图​（图5）。5). 相比之下，两个高度简单的第5层锥体神经元向第2/3层的投射较为零散，覆盖了更大的横向区域和前后轴区域（图​（图5）。5). 在我们之前对皮质切片中细胞内标记神经元的研究中，没有注意到这种模式，可能是由于切片准备过程中切割轴突所致。轴突树状化的这些差异表明，输入的差异与输出的差异相关，并与这些细胞类型的不同功能作用有关。例如，高大细胞较长的外侧轴突表明，它们可能在调节桶状柱之间的相互作用中发挥更大的作用。

我们所做的解剖观察为识别第5层锥体细胞类型及其可能的连接性提供了最清晰的见解。然而，输入源和输出中的细胞类型特定差异最终将与先前记录的内在生理学差异相互作用（孔特雷拉斯，2004)以及突触连接的功能特性（Feldmeyer和Sakmann，2000)建立完整网络中每种细胞类型的独特作用。

利益冲突声明

作者声明，该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

致谢

我们要感谢Mauricio De La Parra提供的技术援助。这里描述的工作得到了美国国立卫生研究院EY010742和MH063912向EMC提供的支持。

工具书类

  • Akemann W.、Zhong Y.M.、Ichinohe N.、Rockland K.S.、Knopfel T.（2004）。在新皮质第5层锥体细胞的不同亚群中表达荧光体内标记的转基因小鼠.J.公司。神经醇。 480，72–88 10.1002/cne.20338[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Anderson J.C.、Martin K.A.、Picanco-Diniz C.W.（1992年）。猫视皮层第1层神经元.程序。英国皇家学会。，B、 生物。科学。 248，27–33 10.1098/rspb.192.0038[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Bourassa J.、Pinault D.和Deschenes M.（1995年）。大鼠皮层桶区至体感丘脑的皮层丘脑投射：一项使用生物细胞素作为顺行示踪剂的单纤维研究.《欧洲神经科学杂志》。 7，19–30 10.1111/j.1460-9568.1995.tb01016.x[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Briggs F.、Callaway E.M.（2005）。猕猴初级视觉皮层第5层神经元局部兴奋性输入的层模式.塞雷布。Cortex公司 15，479–488 10.1093/cercor/bhh154[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • 考勒·L·J、克兰西·B、康纳斯·B·W（1998）。大鼠初级体感皮层的后向皮质投射延伸出第一层的水平长轴索.J.公司。神经醇。 390，297–310 10.1002/（SICI）1096-9861（19980112）390:2<297:：AID-CNE11>3.0.CO；2伏[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Cetas J.S.，de Venicia R.K.，McMullen N.T.（1999）。Lorente de No的丘脑皮层传入纤维：投射到初级听觉皮层的内侧膝状体轴突有侧支到达第一层.大脑研究。 830，203–208 10.1016/S0006-8993（99）01355-4[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Chagnac-Amitai Y.，Luhmann H.J.，Prince D.A.（1990年）。大鼠新皮质第5层锥体神经元的突发产生和规则放电具有不同的形态学特征.J.公司。神经醇。 296，598–613 10.1002/cne.902960407[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Chu Z.、Galarreta M.、Hestrin S.（2003）。第1层迟发皮层神经元的突触相互作用.《神经科学杂志》。 23, 96–102[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • 孔特雷拉斯D.（2004）。新皮质神经元的电生理分类.神经网络。 17，633–646 10.1016/j.neunet.2004.04.003[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Dantzker J.L.、Callaway E.M.（2000年）。皮层抑制性中间神经元和锥体神经元的突触输入层流源.自然神经科学。 三, 701–707 10.1038/76656 [公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Deschenes M.、Bourassa J.、Pinault D.（1994）。大鼠V层细胞的皮质丘脑投射物是长距离皮质功能轴突的侧支.大脑研究。 664, 215–219 10.1016/0006-8993(94)91974-7 [公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Deuchars J.，West D.C.，Thomson A.M.（1994）。大鼠离体新皮层锥体-锥体单轴连接的形态与生理关系.《生理学杂志》。 478, 423–435[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Feldmeyer D.、Sakmann B.（2000年）。新皮质输入层（第4层）和输出层（第5层）主要神经元之间兴奋性连接的突触效能和可靠性.《生理学杂志》。 525，31–39 10.1111/j.1469-7793.2000.00031.x号[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Games K.D.、Winer J.A.（1988年）。大鼠听觉皮层第五层：向下丘和对侧皮层的投射.倾听。物件。 34，1–25 10.1016/0378-5955（88）90047-0[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Hallman L.E.、Schofield B.R.、Lin C.S.（1988）。带帽大鼠初级视皮层V层皮质盖、皮质脑桥和胼胝体神经元的树突形态和轴突侧支.J.公司。神经醇。 272，149-160 10.1002/cne.902720111[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Herkenham M.（1980）。丘脑向大鼠新皮层投射的椎板组织.科学类 207，532–535 10.1126/科学7352263[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Hestrin S.、Armstrong W.E.（1996年）。第一层皮层神经元的形态和生理.《神经科学杂志》。 16, 5290–5300[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Hubener M.、Bolz J.（1988年）。大鼠视皮层第5层投射神经元的形态学研究.神经科学。莱特。 94，76–81 10.1016/0304-3940（88）90273-X[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Hubener M.、Schwarz C.、Bolz J.（1990年）。猫视皮层第5层投射神经元的形态类型.J.公司。神经醇。 301，655–674 10.1002/cne.903010412[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Katz L.C.（1987）。猫视觉皮层脑片中已识别投射神经元的局部电路.《神经科学杂志》。 7, 1223–1249[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Killackey H.P.、Koralek K.A.、Chiaia N.L.、Rhodes R.W.（1989）。大鼠体感皮层皮层下投射神经元起源的层和面差异.J.公司。神经醇。 282，428–445 10.1002/cne.902820309[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Kim H.G.、Connors B.W.（1993年）。新皮质顶树突：钠和钙依赖性突触与锥体细胞形态的相关性.《神经科学杂志》。 13, 5301–5311[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Koester S.E.，O’Leary D.D.（1992年）。皮质投射神经元的功能类别通过对早期常见模式的类别特异性雕刻形成树突区别.《神经科学杂志》。 12, 1382–1393[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Larkman A.、Mason A.（1990年）。大鼠视皮层切片中锥体神经元形态与电生理的相关性。一、细胞分类的建立.《神经科学杂志》。 10，1407年-1414年[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Larsen D.D.、Callaway E.M.（2006年）。小鼠初级体感皮层中层特异性轴突分支的发育.J.公司。神经醇。 494，398–414 10.1002/cne.20754[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Llinas R.R.、Leznik E.、Urbano F.J.（2002年）。通过皮层符合检测特定和非特定丘脑皮层输入的时间结合：小鼠脑片的电压依赖性染色成像研究.程序。国家。阿卡德。科学。美国。 99，449–454 10.1073/pnas.012604899[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • 卢素明、林瑞川（1993）。大鼠大脑皮层丘脑传入纤维：以菜豆白细胞凝集素为顺行示踪剂的光镜和电镜研究.体细胞。汽车。物件。 10, 1–16 10.3109/08990229309028819 [公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Markram H.（1997年）。簇状第5层锥体神经元网络.塞雷布。Cortex公司 7，523–533 10.1093/cercor/7.6.523[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Markram H.、Lubke J.、Frotscher M.、Roth A.和Sakmann B.（1997年）。发育中大鼠新皮质厚簇状锥体神经元间突触联系的生理解剖.《生理学杂志》。 500, 409–440[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Mitchell B.D.、Cauller L.J.（2001）。大鼠皮层和丘脑皮层向额叶新皮质I层的投射.大脑研究。 921，68–77 10.1016/S0006-8993（01）03084-0[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Oda S.、Kishi K.、Yang J.、Chen S.、Yokofujita J.、Igarashi H.、Tanihata S.、Kuroda M.（2004）。大鼠腹后内侧核的丘脑皮层投射将侧支血管发送至初级躯体感觉皮层的I层.神经科学。莱特。 367，394–398 10.1016/j.neulet.2004.06.042[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Reyes A.、Sakmann B.（1999年）。大鼠新皮质2/3层和5层锥体神经元诱发的单一EPSP短期修饰中的发育开关.《神经科学杂志》。 19, 3827–3835[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Rockland K.S.，Pandya D.N.（1979年）。恒河猴枕叶皮质连接的层板起源和终止.大脑研究。 179, 3–20 10.1016/0006-8993(79)90485-2 [公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Schofield B.R.、Hallman L.E.、Lin C.S.（1987）。带帽大鼠初级视皮层皮质细胞的形态学.J.公司。神经醇。 261，85–97 10.1002/cne.90261007[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • 舒伯特·D、斯泰格·J·F、乔·N、科特·R、齐勒斯·K、卢曼·H·J（2001）。大鼠桶状皮质V层锥体细胞的层特异性柱内和跨柱功能连接.《神经科学杂志》。 21, 3580–3592[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • Shepherd G.M.、Stepanyants A.、Bureau I.、Chklovskii D.、Svoboda K.（2005）。皮层回路的几何和功能组织.自然神经科学。 8，782–790 10.1038/nn1447[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Shepherd G.M.，Svoboda K.（2005年）。大鼠桶状皮层2/3层锥体神经元上行兴奋性投射的层和柱状结构.《神经科学杂志》。 25，5670–5679 10.1523/JNEUROSCI.1173-05.2005[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Silberberg G.、Markram H.（2007年）。Martinotti细胞介导的新皮质锥体细胞间的突触性抑制作用.神经元 53，735–746 10.1016/j.neuron.2007.02.012[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • 汤姆森·A·M、班尼斯特·A·P（1998）。降层III锥体轴突突触后锥体靶点选择：大鼠新皮质切片的双细胞内记录和生物细胞素填充.神经科学 84，669–683 10.1016/S0306-4522（97）00557-5[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Thomson A.M.，Deuchars J.（1997年）。新皮质局部回路中突触相互作用：体外双细胞内记录.塞雷布。Cortex公司 7，510-522 10.1093/cercor/7.6.510[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Tsiola A.、Hamzei-Sichani F.、Peterlin Z.、Yuste R.（2003）。小鼠初级视皮层5层神经元的定量形态学分类.J.公司。神经醇。 461，415–428 10.1002/cne.10628[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Veinanate P.、Lavalley P.、Deschenes M.（2000）。大鼠触须桶皮层第5层的丘脑皮质投射.J.公司。神经醇。 424，197-204 10.1002/1096-9861（20000821）424:2<197:：AID-CNE1>3.0.CO；2-6 [公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • 王忠，麦考密克博士（1993）。去甲肾上腺素、乙酰胆碱和1S、3R-ACPD对皮质覆膜和皮质脑桥V层突发性神经元放电模式的控制.《神经科学杂志》。 13, 2199–2216[PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]
  • 王毅，托莱多·罗德里格斯M.，古普塔A.，吴C.，西尔贝贝格G.，罗J.，马克拉姆H.（2004）。幼年大鼠体感皮层Martinotti细胞的解剖、生理和分子特性.《生理学杂志》。 561，65–90 10.1113/jphysiol.204.073353[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Wickersham I.R.、Finke S.、Conzelmann K.K.、Callaway E.M.（2007年）。用缺失突变狂犬病病毒逆行追踪神经元.自然方法 4，47–49 10.1038/nmeth999[PMC免费文章][公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Winer J.A.、Larue D.T.（1989）。大鼠听皮层第一层GABA能神经元和轴突的数量.神经科学 33, 499–515 10.1016/0306-4522(89)90402-8 [公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Wise S.P.、Jones E.G.（1976年）。大鼠体感皮层连合投射的组织和生后发育.J.公司。神经醇。 168，313–343 10.1002/cne.901680302[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • 怀斯·S·P、琼斯·E·G（1977）。大鼠体细胞感觉皮层皮层投射中的体细胞和柱状组织.大脑研究。 133, 223–235 10.1016/0006-8993(77)90760-0 [公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Wise S.P.、Jones E.G.（1978年）。大鼠体感皮层丘脑皮层和连合连接的发育研究.J.公司。神经醇。 178，187–208 10.1002/cne.901780202[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
  • Zhou F.M.，Hablitz J.J.（1996）。大鼠新皮质细胞内标记I层神经元的形态学特征.J.公司。神经醇。 376，198–213 10.1002/（SICI）1096-9861（19961209）376:2<198:：AID-CNE3>3.0.CO；2-Z型[公共医学] [交叉参考][谷歌学者]
文章来自神经电路的前沿由以下人员提供Frontiers Media SA公司