海马切片齿状回中记忆痕迹神经元与非记忆痕迹神经元诱发电活动的不同模式

《Hippocampus》：Distinct Patterns of Evoked Firing in Engram and Non-Engram Neurons in the Dentate Gyrus of Hippocampal Slices

信息编码与神经活动关系研究：基于颗粒细胞的电压成像分析

　　神经系统的功能依赖于神经元的电活动，这种活动能够改变神经元的特性，从而实现信息的存储和处理。研究发现，齿状回（dentate gyrus, DG）在学习和记忆过程中扮演着关键角色，其主要神经元类型——颗粒细胞（granule cells, GCs）在某些行为状态下会表现出强烈的放电活动。为了深入理解经验如何影响GC的电生理特性，研究团队利用了一种称为“靶向激活群体重组”（Targeted Recombination in Activated Populations, TRAP）的遗传策略，结合一种称为hVoS的基因编码混合电压传感器，用于标记在特定经验中被激活的神经元。这些标记的神经元被认为是编码信息的“记忆细胞”（engram cells）。研究通过电压成像技术，观察了这些记忆细胞在不同经验条件下的放电行为，并将其与随机标记的GCs进行对比，以揭示经验对不同类型的神经元的调控机制。

研究采用多种经验范式，包括保持在原生环境（Home-TRAP）、环境新奇（Environmental Novelty, Env-TRAP）以及社会新奇（Social Novelty, Social-TRAP）。实验过程中，小鼠被移出其原有笼子，单独饲养至少3天后，再根据不同的经验条件放置于特定环境中。实验设计中，通过4-羟基他莫昔芬（4-OHT）的注射，确保只有在特定经验期间被激活的神经元才会表达hVoS。实验结束后，对小鼠进行处理，获取其海马切片，并在体外进行电压成像实验。通过这种方法，研究团队能够精准地识别在经验中被激活的GCs，并进一步分析其放电特性。

研究发现，TRAP标记的GCs在不同经验条件下表现出不同的放电模式。例如，在经历环境新奇或社会新奇的小鼠中，其GCs的放电频率显著提高，并且在抑制被阻断后，间隔时间也有所延长。相比之下，随机标记的GCs（通过Prox1标记）在经验条件下并未表现出类似的放电变化。这表明，经验不仅会影响记忆细胞的放电特性，还会对非记忆细胞产生全局性的改变。研究进一步发现，TRAP标记的GCs在不同经验条件下的放电模式存在显著差异，而这种差异在使用GABA_A受体拮抗剂（如Gabazine）后变得更加明显。这提示我们，抑制性神经回路可能在调控GCs的放电行为中起着关键作用。

此外，研究还发现，在没有抑制的情况下，不同经验条件下的GCs表现出不同的放电频率和间隔时间。例如，在经历环境新奇或社会新奇的小鼠中，其GCs的双峰放电（doublets）发生率显著增加，且双峰间隔时间延长。而在没有经验或经验不足的情况下，GCs的放电模式则相对稳定。这表明，经验能够通过增强放电频率和改变放电间隔，来调节GCs的放电行为，从而影响整个DG的信息处理机制。

为了进一步分析这些放电行为的变化，研究团队使用了多种统计方法，包括Kolmogorov-Smirnov检验、χ²检验和ANOVA分析。结果显示，TRAP标记的GCs在不同经验条件下的放电行为存在显著的异质性，而这种异质性在Prox1标记的GCs中并不明显。这提示我们，经验可能通过不同的机制对不同类型神经元产生影响，记忆细胞可能经历了更为精细的适应性变化，而非记忆细胞则可能经历了更广泛的调控。

研究还发现，GCs的放电模式可能受到多种分子机制的调控。例如，低阈值T型钙通道（T-type calcium channels）和钾通道（如Kv7和Kir6）在调控GCs的放电行为中起着重要作用。此外，G蛋白对漏电流的调控也会影响GCs的放电频率。这些分子机制可能共同作用，使得经验能够通过改变GCs的放电特性，从而影响整个DG的信息处理流程。

在信息编码方面，研究指出，GCs的放电模式不仅是信息编码的基础，还可能通过调节其与下游神经元（如CA3锥体细胞、 hilar mossy细胞和抑制性中间神经元）之间的突触传递，来影响信息的流动方向。例如，当抑制被阻断时，TRAP标记的GCs在经历环境新奇或社会新奇后，其放电频率和间隔时间的变化更加显著，这可能表明，这些经验通过改变抑制性输入，增强了GCs的放电能力。这种增强的放电能力可能有助于信息在DG中的编码和存储。

进一步的研究还发现，经验可能通过改变GCs的突触连接来影响其放电特性。例如，使用Fos标记的“记忆细胞”与双eGRASP技术结合，研究显示，记忆细胞与非记忆细胞之间的突触密度和强度在记忆形成过程中会显著增加。这表明，经验不仅影响神经元的电生理特性，还可能通过突触重塑来增强其在信息编码中的作用。

综上所述，经验能够通过多种机制影响GCs的放电行为，包括改变其内在兴奋性、调节抑制性输入以及调整突触连接。这些变化不仅限于记忆细胞，也会影响非记忆细胞的放电模式，从而对整个DG的信息处理过程产生深远影响。研究结果提示，GCs的放电模式是信息编码的重要基础，其特性可以被经验所塑造，进而改变神经网络的动态行为。未来的研究可以进一步探索这些机制如何影响学习和记忆过程，并揭示神经元如何通过其电活动来响应不同的经验条件，从而实现信息的存储和传递。