联合恐惧学习过程中轴突起始段的动态重塑——前额叶皮层记忆形成的新细胞机制

《Nature Neuroscience》：Axon initial segment dynamics during associative fear learning

本研究通过活体纵向双光子成像技术，首次揭示了内侧前额叶皮层神经元轴突起始段（AIS）在恐惧消退学习过程中发生动态结构重塑。研究人员发现AIS长度变化与神经元兴奋性调节密切相关，且不同AIS可塑性集群参与记忆印迹网络的形成，为理解学习记忆的细胞机制提供了新视角。

　　

当我们学习新知识或形成记忆时，大脑中的神经元会发生怎样的变化？这一直是神经科学领域的核心问题。传统研究多聚焦于突触可塑性，即神经元之间连接强度的变化。然而，近年来科学家们发现，轴突起始段（AIS）——这个位于神经元轴突根部、负责动作电位产生的特殊区域，同样表现出惊人的可塑性。AIS被称为神经元的"闸门"，通过改变其长度和位置，能够全局性地调节神经元的输入-输出功能，这是一种与突触可塑性截然不同的可塑性机制。

尽管此前研究已在发育、衰老、感觉剥夺等过程中观察到AIS的可塑性变化，但在联合学习与记忆形成过程中，AIS是否会发生结构重塑，以及这种重塑如何影响记忆编码，仍然是一个未解之谜。这主要是由于缺乏能够纵向追踪AIS动态变化的活体成像技术。来自德国神经退行性疾病中心、巴塞尔大学等机构的研究团队在《Nature Neuroscience》上发表的最新研究，成功攻克了这一难题。

研究人员设计了一种创新的活体成像方法，首次实现了对内侧前额叶皮层（mPFC）神经元AIS的纵向动态监测。他们利用表达锚蛋白G（Ankyrin-G）与绿色荧光蛋白融合蛋白的转基因小鼠品系，特异性标记AIS，并结合梯度折射率（GRIN）透镜内窥镜和双光子成像技术，在雄性小鼠进行听觉恐惧条件化和消退学习的过程中，持续追踪了同一批AIS的形态变化。

关键技术方法包括：使用表达cre依赖性Ankyrin-G-GFP融合蛋白的转基因小鼠品系特异性标记AIS；通过GRIN透镜内窥镜结合双光子显微镜进行活体纵向成像；听觉恐惧条件化和消退学习行为范式；免疫荧光染色验证AIS标记特异性；钙成像与AIS长度相关性分析；c-Fos免疫染色识别记忆印迹神经元。

追踪恐惧学习过程中的AIS长度变化

研究人员通过病毒载体在mPFC兴奋性神经元中表达AnkG-GFP，特异性标记AIS。免疫荧光和STED超分辨率显微镜验证了GFP信号与AnkG和钠通道Na_v1.6在整个AIS长度上共定位，证实了标记的特异性。通过植入校正像差的GRIN透镜，研究人员在4天的恐惧条件化和消退学习过程中，对同一批AIS进行了纵向活体成像。

前额叶皮层AIS在消退学习后表现出可塑性

行为分析显示，小鼠成功建立了条件性恐惧反应，并在消退训练过程中逐渐减少了对条件刺激的冻结反应。在群体水平上，AIS长度在恐惧消退学习后显著增加，而在随后的无学习稳态期间恢复至原始大小。这表明AIS结构变化是学习相关可塑性的细胞相关因素，而非非特异性变化。

恐惧消退学习后mPFC AIS长度的多样化可塑性模式

通过对可纵向追踪的AIS进行k均值聚类分析，研究人员发现了四种不同的AIS动态变化集群：伸长集群（43.3%）在恐惧消退学习后长度增加，并在所有成像日内保持伸长状态；缩短集群（16.7%）表现出长度减少；还有两个稳定集群（共39.9%）在学习过程中仅有轻微变化，并在稳态期间保持原始长度。值得注意的是，伸长和缩短集群的AIS分别来源于学习前最短和最长的AIS池，表明AIS长度变化发生在预定的生理动态范围内。

AIS长度与钙动力学相关

为探究AIS长度与神经元活动的关系，研究人员结合双光子钙成像和离体AIS长度测量。发现AIS长度与单个钙事件曲线下面积呈正相关，表明增加的AIS长度与mPFC神经元高频动作电位爆发相关，而钙事件率与AIS长度无显著相关性。

恐惧消退印迹与长短AIS相关

通过c-Fos免疫染色识别记忆印迹神经元，研究发现infralimbic皮层（与恐惧消退相关）的c-Fos阳性神经元比阴性神经元具有更宽的AIS长度分布，包含更多极短和极长的AIS。而在prelimbic皮层（与恐惧回忆相关）未观察到这种差异，表明AIS长度变化具有脑区特异性和学习特异性。

本研究首次在活体水平证实了联合学习过程中AIS的结构可塑性，揭示了AIS长度动态变化是记忆形成的细胞标志。双向AIS可塑性可能是平衡不同mPFC子网络权重的一种机制，例如功能不同的输出通路神经元或对立记忆印迹的招募。特别值得注意的是，伸长集群的AIS在消退学习后并未恢复至基线长度，表明这种持续性伸长与兴奋性升高相关，可能支持mPFC网络中长期的消退记忆。

研究还发现，学习前较短的AIS更容易被招募到伸长集群，而较长的AIS更容易被招募到缩短集群，表明AIS长度变化主要发生在长度分布的极端范围内，在确定的动态范围和结构限制内发挥对动作电位起始和兴奋性的最强影响。学习前AIS长度可能是mPFC锥体神经元可塑性可用性及其被招募到记忆印迹的标志。

这一发现不仅深化了我们对学习记忆细胞机制的理解，也为神经系统疾病的研究提供了新视角。鉴于AIS在多种神经系统疾病（包括阿尔茨海默病等神经退行性疾病）中均出现异常，AIS可塑性的适应不良可能在记忆丧失、认知衰退和行为改变的疾病早期阶段发挥重要作用，远在神经元细胞丢失发生之前。因此，靶向AIS可塑性可能为相关疾病的早期干预提供新策略。