Кора головного мозга млекопитающих состоит из архикортекса (регион гиппокампа), палеокортекса (обонятельная кора) и неокортекса, который является эволюционно самым молодым регионом. Неокортекс состоит из двух основных классов нейронов: нейроны с глютаматергическими проекциями (see Glossary, Box 1), которые получают возбуждение от постсинаптических нейронов и генерируют рефлекторную дугу (circuit output); и GABA (γ -aminobutyric acid)-ергические интернейроны (see Glossary, Box 1), которые обычно запускают ингибирование постсинаптических нейронов и важны для формирования circuit output. Общепринято, что два определяющих структурных и функциональных свойства неокортекса это расслоение (lamination) и радиальные столбы (radial columns) (Douglas and Martin, 2004). Вместе эти свойства составляют базовую структуру, на которой строятся неокортикальные связи (circuits). Интересно, что оба эти свойства тесно связаны с ранними событиями развития, включая нейрогенез и миграцию нейронов.

Box 1. Glossary

Cortical plate. A progressively thickening layer in the dorsal telencephalon that harbors newly born post-mitotic neurons and eventually develops into the future cortex. Hebbian learning rule. 'Cells that fire together, wire together': a theory introduced by Donald O. Hebb (Hebb, 1949) for the mechanism of synaptic plasticity whereby repeated and persistent stimulation of the postsynaptic cell by a presynaptic cell increases synaptic efficacy. Interneurons. Inhibitory neurons with short axons in the cortex that typically participate in only local circuits. Marginal zone. A superficial layer that develops as the preplate is split during early corticogenesis; it eventually becomes layer 1 of the mature cortex. Pia (or pia mater). Innermost layer of the meninges that surrounds the brain and spinal cord. Preplate. Located between the pia and the ventricular zone, it contains the earliest born neurons and represents the beginning of corticogenesis prior to the emergence of the cortical plate. Projection neurons. Excitatory neurons in the cortex that send long-range projections to different brain regions. Radial glial cells. A major population of neural stem cells transiently existing in the developing brain that are crucial for generating neurons and glia. Striatum. A subcortical structure derived from ventral regions of the developing telecephalon that receives input from the cortex. Subplate. A transient zone comprising of some of the earliest generated neurons in the cortex; it is crucial for both structural and functional development of the cortex. Subventricular zone. A region situated above the ventricular zone that harbors intermediate progenitor cells and migrating neurons. Telencephalon. The anteriormost region of the developing CNS that gives rise to the mature cerebrum.

Lamination: a hallmark of the neocortex

Неокортекс является непрерывной шестислойной структурой. Все компоненты неокортикальных связей (circuits), включая центростремительные, эффекторные (возбуждающие) клетки, ингибирующие клетки и центробежные, организованы в виде тонких слоёв (laminae) (Douglas and Martin, 2004). Кортикальное расслоение (lamination) возникает в результате радиальной миграции новорожденных возбуждающих нейронов во время развития (Hatten, 1999; Rakic, 1971; Rakic, 1972). Глютаматергические возбуждающие нейроны продуцируются из клеток предшественников (Fig. 1A), которые располагаются в пролиферативной зоне дорсальной части телэнцефалона (see Glossary, Box 1). На самых ранних стадиях нервная трубка состоит из одного слоя нейроэпителиальныхl (NE) клеток, которые быстро пролиферируют (Breunig et al., 2011). Небольшая фракция NE клеток подвергается асимметричным делениям, генерируя первую волну постмитотических нейронов, которые мигрируют отсюда радиально и формируют временные структуры, называемые preplate (see Glossary, Box 1) (Del Rio et al., 2000; Marin-Padilla, 1970; Marin-Padilla, 1971; Marin-Padilla, 1978). В ходе дальнейшего развития, NE клетки трансформируются в тип предшественников с более ограниченными судьбами (RGCs, see Glossary, Box 1), основную популяцию нейральных предшественников в дорсальной части телэнцефалона (Anthony et al., 2004; Fishell and Kriegstein, 2003; Malatesta et al., 2000; Malatesta et al., 2003; Miyata et al., 2001; Noctor et al., 2001; Noctor et al., 2004). Располагающиеся в вентрикулярной зоне (VZ), RGCs обладают характеристиками биполярной морфологии с коротким апикальным отростком (вентрикулярный endfoot), который достигает просветной поверхности VZ , а удлиненный отросток (радиальное глиальное волокно), которое распространяется в сторону основания к поверхности мягкой мозговой оболочки (see Glossary, Box 1). Считается, что RGCs подвергаются симметричным делениям, чтобы увеличить пул предшественников и затем переключиться на асимметричные деления, при этом они самообновляются и одновременно генерируют дочерние клетки, которые являются или постмитотическими нейронами или intermediate progenitor cells (IPCs). IPCs затем подвергаются дополнительным раундам симметричных делений в subventricular zone (SVZ, see Glossary, Box 1)t, чтобы продуцировать нейроны (Kowalczyk et al., 2009; Noctor et al., 2004). Новорожденные нейроны подвергаются радиальной миграции вдоль глиальных волокон, расщепляя уже существующую предпластинку (preplate) на поверхностную marginal zone (MZ, see Glossary, Box 1) и более глубокую subplate (SP, see Glossary, Box 1), и располагаются в срединном регионе, приводя к образованию кортикальной пластинки (CP, see Glossary, Box 1) - будущей коре. Последующие волны вновь сгенерированных нейронов мигрируют мимо уже имеющихся ранее зародившихся нейронов и занимают более поверхностные слои CP, создавая кортикальные слои (L) 2-6. Т.о., Кортикальная ламинация происходит способом 'изнутри наружу' (Angevine and Sidman, 1961) (Fig. 1C).

Становится всё яснее, что клетки предшественники для возбуждающих нейронов не гомогенны, а скорее разнообразны. Помимо RGCs и IPCs, недавно открыты два новых типа клеток нейрональных предшественников в развивающемся неокортексе: short neural precursors (SNPs) и outer subventricular zone (OSVZ) предшественники радиальной глии. SNPs сохраняют свои вентрикулярные синаптические нервные окончания (end-feet), но их базальные отростки имеют варьирующую длину (Gal et al., 2006) и в отличие от RGCs, они генерируют нейроны непосредственно вместо того, чтобы проходить стадию через IPC (Stancik et al., 2010). OSVZ предшественники, напротив, сохраняют базальные отростки, но лишены апикальных отростков и способны подвергаться асимметричным делениям в OSVZ. Они были первоначально открыты у людей и позднее найдены приматов, хорьков, мышей и у др. видов (Fietz et al., 2010; Hansen et al., 2010; Kelava et al., 2012; Shitamukai et al., 2011; Wang et al., 2011). Особенно обильна популяция предшественников OSVZ, а их повышенный пролиферативный потенциал, как было установлено, лежит в основе эволюционной экспансии коры от мышей до человека (Lui et al., 2011). В дополнение к гетерогенности предшественников недавнее исследование показало, что субнабор RGCs, экспрессирующих гомеобоксный белок cut-like 2 (Cux2) предназначены давать нейроны верхнего слоя (L2-4). Cux2-экспрессирующие RGCs пролиферируют рано в развитии, когда генерируются нейроны нижних слоёв (L5-6), но начинают продуцировать нейроны на более поздних стадиях (Franco et al., 2012). Это противоречит превалирующей модели нейрогенеза неокортекса путем прогрессивного предопределения судеб (Desai and McConnell, 2000; Frantz and McConnell, 1996; Luskin et al., 1988; McConnell and Kaznowski, 1991; Price and Thurlow, 1988; Shen et al., 2006; Tan et al., 1998; Walsh and Cepko, 1988); дополнительные исследования, такие как систематический и точный клональный анализ клеток индивидуальных предшественников, (напр. Cux2 экспрессирующих в противоположность не экспрессирующим Cux2 ), необходимы чтобы разрешить это расхождение и лучше понять гетерогенность предшественников относительно генерации разных типов нейронов в неокортексе.

В зрелом неокортексе, L1 в основном содержит дистальные пучки (tufts) апикальных дендритов пирамидальных клеток, окончания аксонов, Cajal-Retzius клетки и некоторые GABAergic клетки, но лишен возбуждающих нейронов. Слои L2/3 преимущественно состоят из callosal проекционных нейронов, которые проецируют коллатерали своих аксонов через мозолистое тело и обеспечивают коммуникации между двумя полушариями головного мозга, в дополнение к участию в локальных circuits. В первичных сенсорных областях, L4 содержит покрытые шипами звездчатые клетки, которые формирую важную популяцию для иннервации таламуса. L5/6 содержат в основном corticofugal проекции нейронов, которые составляют главный кортикальный вход (output) в таламус, средний мозг, спинной мозг и др. регионы головного мозга, а также небольшую популяцию проецирующихся через мозолистое тело нейронов (Molyneaux et al., 2007; Fame et al., 2011). Важно, что corticofugal проекционные нейроны в L5 морфологически и физиологически гетерогенны в зависимости от их удаленных проекционных мишеней (Hattox and Nelson, 2007). Фактически, качественные особенности проекций L5 нейронов регулируются c помощью сети транскрипционных факторов (Srinivasan et al., 2012). L6 нейроны также разнообразны, при этом, по крайней мере , две крупные категории, базирующиеся на их морфологии и физиологических свойствах (Thomson and Lamy, 2007) (Fig. 1C, right). Промежуточные нейроны присутствуют во всех слоях и в основном вносят вклад в локальные связи (circuitry) (Markram et al., 2004).

В 1989, в попытке понять правила, которые управляют синаптическими соединениями между разными типами нейронов ву неокортексе, Douglas and Martin разработали модель 'канонических кортикальных microcircuit' исходя из электрофизиологических и модельных исследований зрительной коры кошек. Их модель содержит три группы нейронов: поверхностные пирамидальные клетки, глубокие пирамидальные клетки и общий пул ингибирующих клеток. Все три группы взаимосвязаны, тогда как таламический ввод нацелен на поверхностные пирамидальные клеток и ингибирующие клетки. Эти соединения позволяют связям (circuit) амплифицировать временные таламические входящие импульсы, поддерживая тем самым баланс возбуждения и ингибирования (Douglas and Martin, 1991; Douglas et al., 1989). Последующие исследования продемонстрировали, что чаще всего соединенные клетки оказывались расположенными в одном и том же слое, в то время как соединения между слоями осуществлялись преимущественно с помощью соединений положительной обратной связи от L4 к L3 и от L3 к L5 (Thomson et al., 2002; reviewed by Bastos et al., 2012). Базируясь на прочных исследованиях, мы теперь знаем, что в канонических microcircuit неокортекса, таламические передающие (relay) клетки проводят сигналы в кортекс и в основном нацелены на L4, хотя они также формируют синапсы с нейронами в др. слоях. Эти сигналы относительно слабые и умножаются с помощью повторяющихся возбуждений возбуждающих нейронов L4. Повторяющиеся возбуждения могут быть в принципе вредными при наступлении сверхвозбуждения circuit; следовательно, необходимо подавление, чтобы модулировать возбуждение. Внутри всех слоёв возбуждающие и подавляющие нейроны формируют повторяющиеся соединения. Между кортикальными слоями информация передается со строго направленной тенденцией: от L4 на L2/3 и затем вниз на L5/6. Существуют также более слабые проекции от L4 непосредственно вниз к L5/6. принципы канонических microcircuit могут быть применены и к др. кортикальным областям, такими как моторный кортекс, подтверждая, что они могут отражать лежащую в основе организацию целого неокортекса (Douglas and Martin, 2007). Эта модель существенно продвинула наше понимание принципа проведения импульсов для кортикальных связей (circuits). Несмотря на это, недавние исследования также подтвердили, что могут существовать определенные вариации в организации circuit в определенных кортикальных областях, напр., соматосенсорном кортексе грызунов (Bruno and Sakmann, 2006; Meyer et al., 2010; Oberlaender et al., 2012; Wimmer et al., 2010). Итак, важные работы продемонстрировали точный контроль продукции и миграции нейронов, ведущий к образованию определенных кортикальных слоёв, каждый из которых содержит уникальные популяции нейронов, предназначенных для сборки высоко организованных circuits.

The neocortical column

Вторым фундаментальным свойством неокортекса являются функциональные столбы. Концепция 'neocortical functional column' впервые была предложена Mountcastle in 1957 и это оказалось неоценимым для понимания функциональной организации неокортекса. При записи соматосенсорной коры кошек и обезьян, Mountcastle и др. открыли, что нейроны обладают общими функциональными свойствами, включая соотв. периферические рецепторы, рецептивные поля и латентный период возбуждения (firing latencies), они были локализованы в радиальных столбах, распространяющихся от поверхности мягкой мозговой оболочки к белому веществу (Mountcastle, 1957; Powell and Mountcastle, 1959). Диаметр столбов был приблизительно одного и того же размера у кошек и обезьян. Функциональные свойства нейронов были сходными внутри ствола, но существенно отличались между соседними столбами (Mountcastle, 1997).

Важная работа Hubel и Wiesel в 1960s и 1970s затем подстегнула огромный интерес к изучению столбов неокортекса. Важное наблюдение Mountcastle's на соматосенсорном кортексе, в частности над зрительной корой кошек показало, что нейроны с одинаковой избирательной ориентацией были расположены в одиночном радиальном столбе от поверхности мягкой мозговой оболочки к белому веществу (обозначено как 'orientation columns') (Hubel and Wiesel, 1962; Hubel and Wiesel, 1963). Позднее они установили, что два глаза по-разному активируют кортикальные нейроны: нейроны со сходным глазным предпочтением также оказывались сгруппированы в столбы (наз. 'ocular dominance columns'), а предпочтительные для левого и правого глаза столбы по-разному пересекали кору (Wiesel and Hubel, 1963). Взаимоотношение между ориентационными столбами и столбами глазного доминирования были суммированы в их классической ice-cube диаграмме, в которой тонкие ориентационные пласты (slabs) разрезали более крупные столбы глазного доминирования под прямым углом (Hubel and Wiesel, 1977).

Сходные функциональные столбы были также открыты в первичной слуховой коре кошек (Abeles and Goldstein, 1970) и во многих др. кортикальных областях (Mountcastle, 1997). Эти наблюдения привели к более глубокому пониманию, что 'клетки ведут себя так, т.к. они обладают общими определенными соединениями др. с др., но не с клетками соседних столбов, и в этом смысле одиночные группы клеток выглядят как более или менее автономные функциональные единицы' (Hubel and Wiesel, 1974). Важно, однако , столбы не изолированы; фактически, обширные исследования продемонстрировали наличие горизонтальных соединений между столбами, особенно между теми, что обладают сходными функциональными свойствами (Bosking et al., 1997; Gilbert and Wiesel, 1983; Gilbert and Wiesel, 1989; Katz et al., 1989; McGuire et al., 1991; Ts'o et al., 1986).

Несмотря на длительную историю успешной идентификации неокортикальных столбов с помощью электрофизиологических записей, особенно у млекопитающих, таких как кошки и обезьяны, анатомические основы этих столбов остаются неясными. Мини-столбы, как полагают, является основной единицей неокортекса, которые состоят из цепочек нейронов (обычно ~80-120 у приматов) перекрывая кортикальные слои, чьи клеточные тела расположены вертикально внутри диаметра из ~40-50 µm; около ?50-80 мини-столбов соединены вместе, чтобы сформировать структурную основу функциональных столбов (Mountcastle, 2003). Др. кандидатом является родственная структура, обозначаемая как 'пучки', которые в основном представлены тесно ассоциированными апикальными дендритами пирамидальных клеток, чьи клеточные тела расположены в разных слоях (Peters and Kara, 1987; Peters and Sethares, 1996; Peters and Walsh, 1972; Peters et al., 1997). Однако, обе точки зрения подвергаются значительной критике (Rockland and Ichinohe, 2004; da Costa and Martin, 2010). Существует ли структурная корреляция функциональных столбов, остается спорным. Одним из очевидных затруднений является то, что функциональные столбы определяются на базе функциональных свойств нейронов, которые могут просто не отражаться на анатомии. Наиболее эффективный поиск структурных корреляций функциональных столбов требует точной характеристики функциональных свойств индивидуальных нейронов. недавние успехи в области in vivo изображений Ca²⁺ предоставили мощный подход к выявлению функциональных свойств крупных ансамблей из нейронов (Ohki et al., 2005; Bock et al., 2011; Chen et al., 2011; Ko et al., 2011), эффективно наводя мосты через разрыв между структурой и функцией (Li et al., 2012).

Lineage-dependent circuit assembly of neocortical excitatory neurons

Зрительной коры грызунов эквивалентные функциональные столбы трудны для обнаружения у высших млекопитающих. Это может быть в основном связано с тем фактом, что в горизонтальном измерении (т.e. внутри одного и того же кортикального слоя), нейроны с разными предпочтениями в ориентации перемешаны в пространстве по типу 'соль-и-перец' (Ohki and Reid, 2007; Ohki et al., 2005). Сходная гетерогенность на тонкой шкале функциональных свойств нейронов наблюдается в соматосенсорной и слуховой коре (Rothschild et al., 2010; Sato et al., 2007). Эти находки подразумевают, что если функциональные столбы существуют у грызунов, то они могут быть построены при разрешении в одиночную клетку. Интересно, что при комбинировании in vivo двуфотонных изображений Ca²⁺ и ex vivo техники patch-clamp записи, Ko et al. недавно продемонстрировали, что в L2/3 зрительной коры мышей, нейроны, которые обладают общим предпочтением в ориентации реакционных свойств, скорее всего, соединены синаптически, подчеркивая присутствие мелкомасштабных подсетей, предназначенных для процессинга сенсорной информации (Ko et al., 2011). Остается неясным, как эти довольно сильно связанные подсети сконструированы. Единственная возможность заключается в том, что нейроны со сходными функциональными свойствами возбуждаются теми же самыми стимулами повторно и в результате постепенно образуются строгие специфические соединения, как предполагает правило обучения Hebbian (see Glossary, Box 1). Альтернативно, возможно, что существуют др. правила, которые управляют их связями даже еще до полного проявления ими функциональных свойств.

Как действуют функциональные столбы, возникающие при развитии неокортекса? В 1988, Rakic выдвинул 'radial unit hypothesis' (Rakic, 1988). Согласно этой гипотезе, нейроны, происходящие из одной и той же пролиферативной единицы в VZ, мигрируют вдоль волокон радиальной глии и образуют 'онтогенетические/эмбриональные' столбы, которые образуют блоки для коры головного мозга. Базируясь на сходстве вертикальной организации нейронов, было предположено, что онтогене6тические столбы могут быть связаны с функциональными столбами. Однако эта гипотеза только лишь недавно была протестирована экспериментально. Yu et al. инъецировали EGFP-экспрессирующие ретровирусы внутрь желудочков головного мозга развивающихся эмбрионов мышей на день эмбриогенеза E12-E13, чтобы пометить индивидуальные, асимметрично делящиеся RGCs, которые дают онтогенетические столбы, состоящие из 4-6 вертикально расположенных сестринских возбуждающих нейронов, покрывающих разные кортикальные слои. Multiple-electrode whole-cell patch clamp записи на постнатальных стадиях (P10-P21) выявили, что сестринские нейроны преимущественно соединены c помощью химических синапсов, если сравнивать с соседними не сестринскими нейронами. Интересно, что направление межламинарных соединений между сестринскими нейронами в онтогенетических столбах напоминает таковое, наблюдаемое в зрелой коре, подтверждая. что эти онтогенетические столбы могут приводить к образованию функциональных столбов в коре (Yu et al., 2009). Следуя в обратном направлении к событию более раннему в развитии, сестринские нейроны преимущественно образуют временные электрические синапсы др. с др. (достигая пика на ст. ~ P1-P2, в основном исчезающие после ст. P6), это делает возможными избирательные электрические коммуникации и способствует генерации потенциала действия и синхронному возбуждению сестринских нейронов (Yu et al., 2012). Хотя эти щелевые соединения в основном исчезают перед образованием функциональных химических синапсов, они необходимы для образования специфических химических синапсов между сестринскими нейронами. Блокирование электрических коммуникаций нарушает последовательную сборку связанных клонально сестринских возбуждающих нейронов в специфические microcircuits (Yu et al., 2012). Эти исследования не только продемонстрировали новый принцип сборки рефлекторных петель (circuit) , которая зависит от клональных взаимоотношений нейронов (т.e. от их специфической истории развития), но и также подтверждают, онтогенетические столбы могут вносить вклад в появление функциональных столбов в неокортексе (Fig. 2A).

Чтобы протестировать это непосредственно, Li et al. использовали ту же самую технику мечения ретровирусом возбуждающих нейронов, происходящих из одних и тех же RGCs на ст. E15-E17 в зрительной коре мышей, и осуществили in vivo получение двуфотонных Ca²⁺ изображений для оценки свойств их тонкой реакции ориентации на ст. P12-P17 (Li et al., 2012). Они установили, что сестринские нейроны обнаруживают одинаковые предпочтения в ориентации по сравнению с теми соседними не сестринскими нейронами (Fig. 2B). В соответствии с этими находками Yu et al., блокирование электрического купирования сестринских нейронов устраняло функциональное сходство между сестринскими нейронами, подчеркивая важность электрических коммуникаций, устанавливаемых c помощью ранних щелевых соединений, для становления специфических соединений между сестринскими нейронами и общности их функциональных свойств (Li et al., 2012).

Насколько далеко зашли клональные взаимоотношения в формировании неокортикальных circuitry? В недавнем исследовании Ohtsuki et al. использовали др. подход к мечению клонально связанных нейронов (Ohtsuki et al., 2012). Они использовали линию трансгенных мышей, в которой Cre recombinase редко экспрессируется в клетках ранних предшественников при развитии переднего мозга, генерируя индивидуальные клоны, содержащие 600-800 флюоресцентно меченных нейронов, происходящих от одного и того же предшественника. Они затем использовали in vivo получение двуфотонных Ca²⁺ изображений, чтобы проверить свойства тонко контролируемой реакции ориентации клонально родственных нейронов и соседних клонально не связанных нейронов. Интересно, что даже в такой крупной популяции нейронов, клональные взаимоотношения которых довольно далеки по сравнению с сестринскими нейронами, меченными Li et al., предпочтения в ориентации среди клонально родственных нейронов были всё ещё более сходными по сравнению с неродственными нейронами (Fig. 2B). Однако имеются существенные различия внутри крупных клонов, так что почти половина всех пар нейронов имеет предпочтительные ориентации с отличиями менее 30°, а четверть из них обнаруживает более существенные различия более 60° (Ohtsuki et al., 2012). Единственным правдоподобным объяснением является то, что удаленные клональные взаимоотношения, хотя всё ещё влиятельны, но не столь строги по сравнению с близкими клональными взаимоотношениями (т.e. нейроны, происходящие в результате асимметричных делений RGCs) в предопределении общих функциональных сходств среди нейронов. Однако имеются и др. факторы, которые вносят вклад в наблюдаемое разнообразие. Ohtsuki et al. осуществили эксперименты на относительно зрелых мышах (P49-P62), чья зрительная система была хорошо развита, тогда как Li et al. проводили эксперименты на молодых мышах (P12-P17), близко по времени к открытию глаз. Как было установлено, что активность нейронов, а также зрительный опыт оказывают огромное влияние на развитие circuit (Cang et al., 2005; Caporale and Dan, 2008; Hubel and Wiesel, 1965; Katz and Crowley, 2002; Katz and Shatz, 1996), то возможно, что клональные взаимоотношения инструктируют формирование инициальных неокортикальных circuit, которые затем далеее модифицируются за счет опыта. В этой связи было бы интересно протестировать, будут ли удаленные клонально связанные нейроны вести себя более одинаково, если их тестировать у более молодых животных, или, vice versa, будут обладать общим функциональным сходством между близко родственными 'сестринскими нейронами' сохраняющихся у взрослых.

Итак, эти исследования строго подтверждают, что у мышей, клоны играют критическую роль в организации неокортикальных circuits возбуждающих нейронов. Онтогенетические столбы, формируемые клонально родственным и нейронами, д. стать основой структурных и функциональных единиц, которые составляют неокортекс. Одним из важных вопросов является, существуют ли эти клонально связанные специфические circuits также у др. видов млекопитающих, особенно у высших млекопитающих, таких как кошки и обезьяны. Огромные межвидовые различия в организации и предпочтительной ориентации между грызунами и высшими млекопитающими могут быть обусловлены различиями в паттернах нейрогенеза и становлением онтогенетических столбов (Fig. 3). Было предположено, что высокая способность к пролиферации клеток предшественников в SVZ лежит в основе увеличения коры от грызунов к высшим млекопитающим, включая хорьков, кошек и приматов (Kriegstein et al., 2006), которая, по-видимому, и дает онтогенетические столбы, которые значительно более крупного размера и с большим количеством горизонтальных признаков. Недавнее открытие предшественников OSVZ с повышенной способностью к умножению подтверждает эту гипотезу (Lui et al., 2011). Интересно, что компьютерное моделирование, базирующееся на 'принципе минимизации длины проведения' предсказывает, что паттерн строгих горизонтальных соединений д. приводить к однородно варьирующим картам, так как это обнаружено у кошек и обезьян. При сравнении пролиферативного потенциала IPCs в SVZ грызунов, он оказался более ограниченным и лишенным специфических горизонтальных соединений, как и предсказывается продуцирует организацию карт типа соль-и-перец (Koulakov and Chklovskii, 2001). Было бы интересно протестировать, являются ли онтогенетические столбы давно ожидаемыми структурными основами у высших млекопитающих. Кроме того, в двух недавних исследованиях продемонстрировано, что нейроны с определенными молекулярными характеристиками располагаются периодическим способом в L5 неокортекса мышей и человека (Kwan et al., 2012; Maruoka et al., 2011). Было бы интересно понять клеточные события, ответственные за образование этих 'молекулярных министолбов' и как они связаны с функциональными столбами. Также важно отметить, что клеточная организация таламуса, который передает информацию в неокортекс, по-видимому, отличается между грызунами и высшими млекопитающими; напр., латеральный geniculate комплекс по иному ламинирован у кошек, обезьян и людей, но не у мышей и крыс, и эти отличия могут также повлиять фундаментально на организацию коры. Fig. 3.

Lineage-related production and organization of inhibitory neurons

Неокортикальные ингибирующие нейроны обнаруживают невероятно богатое разнообразие подтипов и распределяются по всему неокортексу стереотипическим способом. Активные исследования подтвердили, что как и в случае возбуждающих нейронов, клональная и/или онтогенетическая история (т.e. место и время зарождения) кортикальных промежуточных нейронов лежит в основе спецификации их подтипов и распределения в зрелом неокортексе, внося тем самым вклад в сборку их соответствующих circuit и функцию. Важно отметить, что в отличие от возбуждающих нейронов, очень мало известно о клонах промежуточных нейронов на уровне одиночных предшественников и большинство предыдущих работ было сфокусировано на клонах промежуточных нейронов на уровне популяций предшественников. Несмотря на это, появление optogenetic инструментов в комбинации с мышиной генетикой позволило исследователям вычленить функциональный выход разных классов промежуточных нейронов внутри кортикальных circuits in vivo (Cardin et al., 2009; Lee et al., 2012; Sohal et al., 2009; Wilson et al., 2012), и это создало беспрецедентные возможности для понимания, как ранние онтогенетические события разных клонов промежуточных нейронов вносят вклад в сборку точных рефлекторных петель (circuits).

Cortical inhibitory neuron development

В отличие от дорсально происходящих возбуждающих нейронов, GABAergic ингибирующие нейроны зарождаются во временных вентральных регионах телэнцефалона, известных как ganglionic eminences (GEs) (Anderson et al., 1997; Anderson et al., 2002; Butt et al., 2005; Gelman and Marin, 2010; Valcanis and Tan, 2003; Wichterle et al., 1999; Wichterle et al., 2001; Xu et al., 2004; Xu et al., 2006; Xu et al., 2008) (Fig. 1B). GE далее подразделяются на три самостоятельных домена, а именно, латеральные, медиальные и каудальные GEs (LGE, MGE и CGE, соотв.). Многочисленные исследования по картированию судеб продемонстрировали, что MGE и CGE являются преимущественно источниками кортикальных промежуточных нейронов (Fogarty et al., 2007; Nery et al., 2002; Xu et al., 2008). Более специфически, MGE клетки предшественники продуцируют ~70% неокортикальных промежуточных нейронов (Fogarty et al., 2007; Lavdas et al., 1999; Xu et al., 2008) , а CGE клетки предшественники дают остальные 30% (Butt et al., 2005; Miyoshi et al., 2010; Nery et al., 2002). Кроме того, небольшая субпопуляция (менее 3%) кортикальных промежуточных нейронов происходит от эмбриональной преоптической области, которая расположена в ножке телэнцефалона (Gelman et al., 2009). MGE предшественники также давали промежуточные нейроны striatum (see Glossary, Box 1) и характеризовались экспрессией транскрипционного фактора, гомеобоксного белка Nkx-2.1 (Marin et al., 2000; Sussel et al., 1999). Также было предположено, что у людей а также у не человекообразных приматов, помимо GE вентральной части телэнцефалона, VZ и/или SVZ дорсальной части телэнцефалона также продуцируют значительную популяцию кортикальных GABAergic нейронов (Fertuzinhos et al., 2009; Jakovcevski et al., 2011; Letinic et al., 2002; Petanjek et al., 2009). Однако, дополнительные исследования необходимы, чтобы исследовать это в будущем (Hansen et al., 2010).

У грызунов промежуточные нейроны, предназначенные для коры, д. подвергаться длительным и извилистым путешествиям от их места происхождения в подкорке (subpallial), чтобы достичь коры. Чтобы избегать развивающегося полосатого тела (striatum), промежуточные нейроны мигрируют ближе к поверхности или глубже относительно мантии полосатого тела (Marin et al., 2001). Два основных потока миграции промежуточных нейронов следуют тангенциально ориентированными путями, чтобы вступить в кору: поверхностно мигрирующая ранняя когорта мигрирует через MZ коры (Lavdas et al., 1999); глубоко мигрирующая вторая и более выраженная когорта мигрирует преимущественно через низшую промежуточную зону и SVZ (Wichterle et al., 2001). По достижении коры промежуточные нейроны принимают радиальную траекторию, чтобы оказаться в своей финальной ламинарной позиции в CP (Ang et al., 2003; Hevner et al., 2004; Polleux et al., 2002; Tanaka et al., 2003) (Fig. 1B).

Lineage and subtype specification

Одним из наиболее поразительных признаков промежуточных нейронов в неокортексе взрослых является необычайно богатое разнообразие их морфологии, экспрессии биохимических маркеров, электрофизиологических свойств и паттерна синаптических соединений. Аксоны ингибирующих нейронов высоко избирательны в постсинаптическом компартменте нейронов (т.e. тела, дендритное древо или инициальный сегмент аксонов), которые для них являются мишенями. Нахождение отличающихся субклеточных мишеней и паттерны возбуждений каждого из подтипов позволяет популяциям промежуточных нейронов осуществлять своё ингибирующее влияние на окружающие нейроны многочисленными путями, формируя тем самым выходной контур петли (circuit output) динамически и делая возможным широкий круг нейрональных подсчётов (computations). Напр., около тела клетки контроль ингибирования выхода постсинаптического нейрона и он прежде всего обеспечивается с помощью parvalbumin (PV)-содержащих basket клеток. Ингибирование дендритов, напротив, влияет на локальный вход постсинаптического нейрона и в основном обеспечивается с помощью somatostatin (SST)-экспрессирующих промежуточных нейронов, которые в основном являются клетками Martinotti (McGarry et al., 2010). PV-позитивные клетки канделябры (обозначаемые также как axo-axonic) исключительно находят мишень в инициальном сегменте аксона пирамидальных клеток и играют загадочную роль в кортикальном, т.к. они могут быть ингибирующими или возбуждающими в зависимости от мембранного потенциала постсинаптического нейрона и общего состояния активности сети (Pouille et al., 2009; Szabadics et al., 2006; Taniguchi et al., 2013).

Два важных детерминанта спецификации подтипа промежуточных нейронов неокортекса предопределяют место и время рождения. Сначала уровень пространственной сегрегации предшественников обнаруживается, когда сравнивают MGE и CGE, т.к. они дают крупные не перекрывающиеся подтипы кортикальных промежуточных нейронов. MGE генерирует большинство кортикальных промежуточных нейронов, которые в основном представлены PV-позитивными, снабженными шипами (fast-spiking) basket и chandelier клетками, а также SST-позитивными, burst-spiking клетками, которые включают клетки Martinotti. CGE, напротив, дает более гетерогенную популяцию кортикальных промежуточных нейронов, которые включают reelin-позитивные мультиполярные клетки, vasointestinal peptide (VIP)-позитивные/calretinin (CR)-позитивные, с двумя пучками, нерегулярные спайковые клетки (spiking cell)s, также как VIP-позитивные/CR-негативные биполярные клетки, которые обладают быстро адаптирующимся паттерном возбуждения (Lee et al., 2010; Miyoshi et al., 2010; Nery et al., 2002). Внутри MGE, по-видимому, существует дополнительная пространственная склонность к спецификации SST-позитивных и PV-позитивных кортикальных промежуточных нейронов (Flames et al., 2007; Fogarty et al., 2007; Wonders et al., 2008). Тщательный анализ паттернов экспрессии некоторых транскрипционных факторов в VZ развивающегося мышиного GE Flames et al. выявил, что экспрессия Nkx-6.2 в дорсальной части MGE лежит в основе спецификации SST-позитивных промежуточных нейронов, тогда как PV-позитивные промежуточные нейроны происходят из предшественников, экспрессирующих Nkx-2.1, расположенных более вентрально в MGE, подтверждая, что анатомически определенные subpallial регионы могут быть и далее подразделены на субдомены, которые дают функционально отличающиеся подтипы промежуточных нейронов (Flames et al., 2007) и что клоны играют важную роль в генерации отличающихся популяций промежуточных нейронов, которые характеризуют зрелый неокортекс.

Кроме того, в присутствии пространственно различающихся доменов предшественников, временные основы нейрогенеза, как полагают, вносят вклад в спецификацию подтипов промежуточных нейронов. Картирование судеб происходящих из MGE промежуточных нейронов показало, что эти предшественники подвергаются временным изменениям судьбы, так что они прогрессируют с генерации в основном SST-экспрессирующих нейронов, чтобы давать в основном PV-позитивные промежуточные нейроны (Miyoshi et al., 2007). Недавние трансплантационные и отслеживающие клоны эксперименты продемонстрировали, что клетки канделябры в неокортексе мышей избирательно рождаются в MGE на поздних стадиях эмбрионального развития (Inan et al., 2012; Taniguchi et al., 2013).

Хотя пространственно-временная динамика нейрогенеза безусловно вносит вклад в диверсификацию неокортикальных промежуточных нейронов, остается неясным, происходит ли спецификация подтипов промежуточных нейронов в популяции или на уровне одиночного предшественника. Используя мышиную генетику в комбинации с мечением ретровирусом in utero, Brown et al. впервые провели клональный анализ MGE на уровне одиночных предшественников, чтобы показать, что индивидуальные RGCs в MGE способны генерировать клоны кортикальных промежуточных нейронов, которые обладают теми же самыми нейрохимическими маркерами, а также клоны, которые содержат промежуточные нейроны, экспрессирующие разные нейрохимические маркеры (Brown et al., 2011). Более тщательная характеристика подтипов промежуточных нейронов внутри кластеров клонов с использованием морфологического и физиологического анализа, сможет помочь выяснению, как множество подтипов из одного предшественника может быть генерировано и в каких комбинациях, а также выяснить принципы раннего развития, которые генерируют разнообразие кортикальных промежуточных нейронов.

Lineage and spatial distribution

Подобно возбуждающим нейронам промежуточные нейроны распределены по всему кортексу ламинарным образом. Классические исследования по выяснению времени зарождения и трансплантационные эксперименты продемонстрировали, что промежуточные нейроны зарождаются в разное время в MGE, заселяют специфические слои неокортекса в последовательности изнутри кнаружи (Nery et al., 2002; Valcanis and Tan, 2003). Очевидно, в случае промежуточных нейронов, происходящих из CGE, что зарождающиеся относительно поздно во время эмбрионального нейрогенеза, обнаруживают тенденцию занимать более поверхностные слои кортекса по сравнению с большинством происходящих из MGE промежуточных нейронов (Miyoshi et al., 2010). Интерсно, что кортикальные промежуточные нейроны и проецирующиеся нейроны зарождаются приблизительно в одно и то же время и обнаруживают тенденцию заселять один и тот же кортикальный слой (Valcanis and Tan, 2003). В попытке понять механизмы, которые управляют промежуточными нейронами, чтобы заселить их в точности в специфические кортикальные слои, Lodato et al. замещали subcerebral проекционные нейроны на проекционные нейроны мозолистого тела и установили, что это ведет к аномальной ламинации промежуточных нейронов. Кроме того, искусственное внесение corticofugal или callosal проекционных нейронов ниже коры было достаточным, чтобы рекрутировать кортикальные промежуточные нейроны в эти эктопические места. Это исследование продемонстрировало, что разные популяции проекционных нейронов могут влиять на ламинарную судьбу промежуточных нейронов (Lodato et al., 2011). Следовательно, хотя временная динамика нейрогенеза коррелирует с ламинарной судьбой как проекционных нейронов, так и промежуточных нейронов, могут существовать дополнительные правила, которые управляют их позиционированием внутри неокортекса.

Интересно, Brown et al. показали, что неокортикальные промежуточные нейроны продуцируются как пространственно организованные клональные единицы в MGE; в неокортексе взрослых, эти клонально родственные промежуточные нейроны организованы в пространственно изолированные кластеры (Brown et al., 2011). Сцепление или клональные взаимоотношения, следовательно, играют жизненно важную роль в продукции и пространственной организации неокортикальных промежуточных нейронов. Сколь глубоки клональные взаимоотношения в становлении функциональных microcircuitry промежуточных нейронов? Хотя некоторые промежуточные нейроны формируют и получают неспецифические синаптические соединения (Fino and Yuste, 2011; Hofer et al., 2011; Packer and Yuste, 2011), некоторые исследования показали, что ингибирующие интернейроны в неокортексе обладают высоко специфическими соединениями внутри функциональных circuits (Jiang et al., 2013; Otsuka and Kawaguchi, 2009; Thomson and Lamy, 2007; Yoshimura and Callaway, 2005). Более того, синаптические связи между локальными промежуточными нейронами и возбуждающими нейронами также обнаруживают стереотипический пространственный паттерн в разных регионах неокортекса (Katzel et al., 2011), подтверждая высокую степень специфичности в функциональной организации неокортикальных промежуточных нейронов. Принимая во внимание вентральное происхождение и длительную тангенциальную миграцию неокортикальных промежуточных нейронов, как же формируются стереотипические ингибирующие circuits в неокортексе, неясно. Пространственная организация клонально родственных сестринских ингибирующих промежуточных нейронов открывает интригующую возможность клонально-зависимой функциональной организации (electrical- and/or chemical synapse-based) промежуточных нейронов, которая может вносить вклад в специфические ингибирующие circuits в неокортексе млекопитающих.

Conclusions

Here, we have reviewed recent findings on how early developmental processes, such as neurogenesis and neuronal migration, instruct circuit assembly for both excitatory and inhibitory neurons in the neocortex. One emerging theme is that, lineage, or the developmental history of a neuron, strongly influences its connectivity. For excitatory neurons, sister neurons derived from the same progenitors preferentially form synaptic connections with each other and process related sensory information. In the case of inhibitory interneurons, lineage appears to play a crucial role in their production and organization. With the recent surge of tools that enable labeling and manipulation of circuit components, we are optimistic that many new insights will be revealed along this line in the near future. For example, does lineage-related circuit assembly only apply to the neocortex, or does it also play a role in circuit formation in other brain regions? How is lineage-related circuitry regulated by experience? How does this basic structural and functional unit evolve from mouse to human? Is it affected in neurological diseases? Answers to these questions would greatly advance our knowledge about the fundamental principles that nature uses to construct functional brain circuits.

Lineage-dependent circuit assembly in the neocortex Peng Gao, Khadeejah T. Sultan, Xin-Jun Zhan and Song-Hai Shi Development 2013 Vol. 140, 2645-2655.

Lineage-dependent circuit assembly in the neocortex
Peng Gao, Khadeejah T. Sultan, Xin-Jun Zhan and Song-Hai Shi
Development 2013 Vol. 140, 2645-2655.