海马神经元特征选择性的突触基础研究

学术背景

在神经科学中，一个核心问题是突触可塑性如何塑造行为动物中神经元的特征选择性。海马CA1锥体神经元（CA1 pyramidal neurons, CA1PNs）通过形成空间和情境选择性的感受野（place fields, PFs），展示了最显著的特征选择性之一。PFs是研究学习和记忆突触基础的模型。尽管已有多种形式的突触可塑性被提出作为PFs形成的细胞基础，但由于缺乏工具和技术挑战，我们对突触可塑性如何支持PFs形成和记忆编码的理解仍然有限。特别是，在清醒行为动物中，以单神经元分辨率可视化突触可塑性仍然是一个巨大的挑战。

为了解决这一问题，研究人员开发了一种全光学方法，用于在空间导航过程中监测单个CA1PNs在PFs诱导前后树突棘的时空调谐和突触权重变化。他们发现了一个由PFs诱导前后突触权重双向修改引起的时间不对称突触可塑性核。此外，研究还揭示了基底树突和斜树突在突触可塑性幅度和时间表达上的区室特异性差异。这些结果为突触可塑性如何快速引发海马神经元空间选择性提供了实验证据，这是情景记忆的关键前提。

论文来源

这篇论文由Kevin C. Gonzalez、Adrian Negrean、Zhenrui Liao、Satoshi Terada、Guofeng Zhang、Sungmoo Lee、Katalin Ócsai、Balázs J. Rózsa、Michael Z. Lin、Franck Polleux和Attila Losonczy共同撰写。作者来自哥伦比亚大学、斯坦福大学、布达佩斯技术经济大学等多个研究机构。论文于2024年10月31日在线发表在《Nature》期刊上。

研究流程

1. 实验工具的开发与使用

为了研究突触权重变化（δw）与PFs形成之间的关系，研究人员开发并部署了三种单细胞分辨率工具：

1. 谷氨酸释放传感器（sfVenus-iGluSnFR-A184S）：用于测量树突棘接收的兴奋性突触输入的空间调谐及其活动时间。
2. 红色钙指示剂（jRGECO1a）：用于在体内监测PFs诱导前后的功能突触强度变化。
3. 红色兴奋性光遗传学工具（bReaChES）：用于诱导PFs。

2. 单细胞电穿孔与成像

研究人员使用体内单细胞电穿孔（single-cell electroporation, SCE）技术将质粒引入小鼠海马背侧CA1区域的单个锥体神经元中。通过头固定空间导航任务，在虚拟现实（VR）环境中进行双光子（2P）成像，监测基底树突和斜树突的突触活动动态。

3. 突触可塑性的测量

研究人员将实验分为三个阶段：诱导前、诱导和诱导后。在诱导前阶段，测量树突棘的初始突触权重；在诱导阶段，通过光遗传学诱导PFs；在诱导后阶段，确认PFs的形成并测量所有树突棘的最终突触权重。

4. 数据分析

研究人员通过分析树突棘的钙信号变化来测量突触可塑性，并排除了与全局树突钙事件共现的棘钙事件，以确保突触可塑性测量不受PFs形成后体细胞放电特性变化的影响。

主要结果

1. 突触可塑性的时间结构：研究发现，突触可塑性在PFs诱导前后表现出高度的时间结构，形成了一个时间不对称的突触可塑性核。具体表现为，在诱导前1-2秒内突触输入被增强，而在诱导前3-4秒和诱导后1-2秒内突触输入被抑制。

2. 突触可塑性的空间分布：研究发现，PFs形成后，接收诱导前输入的树突棘显著增强，而接收诱导后输入的树突棘则被抑制。

3. 区室特异性差异：研究发现，斜树突和基底树突在突触可塑性的表达上存在显著差异。斜树突的树突棘表现出更大的突触权重变化，并且更容易经历增强和抑制。

结论

该研究通过全光学方法揭示了海马CA1PNs中PFs形成的突触可塑性规则。研究结果表明，突触可塑性在PFs诱导前后表现出时间不对称性，并且这种可塑性在斜树突和基底树突之间存在区室特异性差异。这些发现为理解突触可塑性如何支持空间选择性和情景记忆提供了重要见解。

研究亮点

1. 时间不对称的突触可塑性核：研究首次在体内直接证明了PFs诱导前后突触可塑性的时间不对称性。
2. 区室特异性差异：研究揭示了斜树突和基底树突在突触可塑性表达上的显著差异。
3. 全光学方法的创新：研究开发的全光学方法为在行为动物中研究突触可塑性提供了新的工具和框架。

研究意义

该研究不仅加深了我们对突触可塑性如何支持学习和记忆的理解，还为未来研究突触可塑性的分子机制提供了新的实验框架。这些发现对于理解神经回路的功能和开发针对记忆障碍的治疗策略具有重要意义。