北京时间2023年9月20日，德国汉堡大学医学中心、汉堡神经科学中心Hanganu-Opatz研究所在Cell Press细胞出版社旗下期刊Current Biology（IF=9.2）发表题为"Olfactory bulb activity shapes the development of entorhinal-hippocampal coupling and associated cognitive abilities"的研究长文，揭示了生命早期的嗅觉输入对于认知发展的关键作用。

嗅觉系统主要由嗅上皮、嗅球(olfactory bulb, OB)和嗅觉皮层组成。其中OB是双侧大脑半球前端的卵圆形灰质，自表面向内可分为六层，上面的僧帽细胞(mitral cells, MCs)及簇状细胞(tufted cells, TCs)为主要的传出神经元, 负责将接收到的嗅觉信息输出到嗅皮层进行加工处理。在嗅皮层中，外侧内嗅皮层(lateral entorhinal cortex, LEC）紧邻海马(hippocampus,HP)结构，通过直接的神经投射将嗅觉信息进一步传递到HP，同时也接收HP的兴奋性反馈传入以调节感觉处理。

为了探究哺乳动物早期嗅觉活动对发育进程中认知功能的影响，研究团队首先对新生小鼠M/TCs进行了化学遗传工具(designer receptors exclusively activated by designer drugs, DREADDs)侵染。由于产后第8-10天(postnatal day, P8-10)时小鼠眼睑和耳道尚未打开，嗅觉感知为它们赖以生存和躲避伤害的主要方式，因此对该阶段幼鼠进行了基于DREADDs的抑制性调控，其后进行在体电生理学和行为学的验证。结果表明，急性的M/TCs抑制不但令OB-LEC-HP神经通路中各区域的电活动降低，更使得幼鼠对熟悉气味的识别能力弱化，意味着大脑对嗅觉信息处理能力的受损。

DREADDs抑制性调控M/TC流程及对幼鼠气味识别能力的影响

有趣的是，尽管P11幼鼠的气味识别能力随着抑制性调控的停止而恢复，M/TCs活动被短暂抑制过的幼鼠LEC及HP区域电信号依然出现了异常，主要反映在降低的细胞外振荡功率和单细胞放电的相关程度上。正如诗人约翰·多恩所言，“没有谁是一座孤岛”，适当的功能性连接是大脑正常运作的本质。对区域间耦合的分析表明，OB-LEC-HP通路持续性地出现同步程度的弱化，以及神经信息流的削减，反映了早期嗅觉传入对神经网络发育的长期影响。

OB-LEC-HP网络区域间功能性连接降低

接着，于在体电生理记录过程中对P11幼鼠分别给与不同的气味刺激，发现OB-LEC-HP网络各区域在此阶段已经有着强烈的气味诱导振荡活动，而经过P8-10调控后的幼鼠气味诱导活动显著降低，暗示着嗅觉信息传递的持续性受损。因此，进一步结合光遗传学对M/TCs作直接激活，以量化该网络对刺激的响应能力。结果表明，无论是被直接激活的OB，还是下游的LEC及HP区域，单细胞放电率都随着M/TCs上的光刺激短暂上升，更为活跃的放电进而集合为瞬时提高的场电位幅度，但被调控幼鼠对光刺激的响应程度并不明显，证明了该网络长距离突触(及OB局部微环路)可塑性的损伤。

OB-LEC-HP网络对刺激的响应能力减弱

根据圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔的“神经元理论”，突触形成对神经元间信息传递的效率产生着重要贡献。那么，M/TCs被短暂抑制是否影响了OB-LEC-HP网络上下游间的突触连接结构呢？带着这样的疑问，研究团队在新生小鼠HP的CA1亚区注射了逆行腺相关病毒，以追踪投射到CA1的兴奋性神经元。对LEC上被示踪到(即特异性往CA1投射)的神经元进行形态学观察，发现这些神经元树突的复杂性以及树突棘密度在短暂抑制M/TCs活动后已经发生降低的趋势，且一直持续到进一步的发育时期，推断M/TCs传入的短暂缺失对下游的突触发育有着负面影响。更有趣的是，树突复杂性和树突棘密度的减少仅限于LEC神经元的顶端树突，正是其接收、整合嗅觉信息的关键部位，印证了这种形态学的弱化是由抑制性调控M/TCs所致。

抑制性调控M/TC对神经元形态的长期的影响

认知功能涉及大脑多个区域的协同作用。LEC及HP在突触连接和信息传递的长期受损可能最终造成小鼠的行为异常。于是研究人员对M/TCs活动被短暂抑制过的小鼠断奶前后阶段进行了一系列的行为学筛选，发现在评估新异物体识别和物体位置偏好的范示中，它们既无法区分新物体，也无法将物体与其位置联系起来。而先前的研究表明，LEC及HP与哺乳动物辨别物体和学习空间位置功能密切相关，支持了短暂的M/TCs抑制通过扰乱LEC及HP的功能发育进而导致行为障碍的假设。

发育中小鼠的认知行为障碍

最后，为了探究P8-10嗅觉输入对大脑发育的关键性，在幼鼠稍后的发育阶段(P13-15,此时眼睑和耳道已打开)进行了同样的M/TCs抑制性调控，电生理学和行为学的结果都显示，OB-LEC-HP网络活动及物体识别记忆功能均未受到影响，证明在发育早期，嗅觉输入是大脑认知功能正常发育的必要条件。

综上所述，本研究强调了嗅觉活动在特定的发育时期对于LEC及HP功能发育的关键作用，将对嗅觉的研究从简单的感觉处理进一步拓展到了高级认知功能领域，正是对诗人西格里夫·萨松“心有猛虎，细嗅蔷薇”的呼应。这些研究结果也提示着，新生儿初生阶段身处环境中的气味及嗅觉感知能力可能对大脑发育产生重要影响。在嗅觉障碍作为新冠肺炎的早期临床症状及神经退行性疾病发病前的筛查指标之外，新生儿的嗅觉功能同样值得公众关注。

本研究得到了德意志研究联合会、欧洲研究委员会和欧盟研究与创新计划的资助。博士生Yu-Nan Chen(陈裕楠)为第一作者，汉堡神经科学中心主任Ileana L. Hanganu-Opatz教授为通讯作者。

本文版权归属作者团队。

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