突破认知！阿尔茨海默病模型中大脑皮层 5/6 层 PV 中间神经元的早期异常及潜在治疗靶点

这篇研究聚焦阿尔茨海默病（AD），利用小鼠模型，发现大脑皮层 5/6 层的小白蛋白（PV）阳性快闪中间神经元（FSIs）在 AD 早期存在选择性损伤。这种损伤与神经元五聚素 2（NPTX2）和 GluA4 减少有关，NPTX2 过表达可改善相关功能，为 AD 治疗提供新方向。

　　

研究背景

阿尔茨海默病（AD）以大脑新皮层中 β- 淀粉样蛋白（Aβ）积累为特征，在神经元丢失和认知能力下降之前，Aβ 就已开始积累多年至数十年。虽然 Aβ 斑块和神经元丢失发生在所有新皮层层，但在 AD 初始阶段，特定层和神经元细胞类型是否存在选择性易损性尚不明确。新皮层由六层组成，各层具有独特的形态细胞类型、连接模式、发育起源和基因表达谱。此前研究表明，浅层皮层在 AD 早期可能较为脆弱，但对于 Aβ 对深层皮层的功能影响却知之甚少。由于从更深的脑区获取细胞水平的神经生理信号存在技术挑战，且各皮层层功能和连接不同，不能简单将浅层的研究结果推广到深层。深层皮层具有较高的自发 firing 率和独特的结构、转录组及生理特征，因此研究其对 Aβ 的易感性具有重要意义。

实验方法

1. 动物模型：研究使用了两种 AD 小鼠模型，即 APPswe/PS1ΔE9（APP/PS1）和 App^NL-G-F敲入小鼠，同时以年龄匹配的野生型（WT）小鼠作为对照。这些小鼠均在特定的饲养条件下繁殖和饲养，实验遵循相关动物实验法规和伦理准则。
2. 实验技术
   • 体内双光子 Ca²⁺成像：通过病毒表达红色移位的 Ca²⁺指示剂 jRCaMP1b，在 3 月龄的 APP/PS1、App^NL-G-F和 WT 小鼠的初级视觉皮层（V1）的 L2/3 和 L5 神经元中，监测自发神经元活动。成像在轻度异氟烷麻醉下进行，以与先前研究保持可比性。
   • Neuropixels 记录：在 V1 的所有层进行 Neuropixels 记录，以评估神经元的放电情况。实验分为麻醉和清醒状态下的记录，通过对放电波形的分析，区分出假定的规则放电（RS）兴奋性神经元和 FSIs。
   • 免疫组织化学分析：对 APP/PS1 和 WT 小鼠的皮层 L2/3 和 L5/6 进行免疫组织化学分析，检测 NPTX2、GluA4 等蛋白的表达水平，以及兴奋性突触密度的变化。
   • AAV 介导的基因过表达：通过腺相关病毒（AAV）介导，在 3 月龄 APP/PS1 小鼠的 V1 皮层兴奋性神经元中过表达 NPTX2，以观察其对神经元功能的影响。
   
   

实验结果

1. 深层皮层神经元的早期功能脆弱性：在 APP/PS1 和 App^NL-G-F小鼠中，3 月龄时，在大量斑块形成之前，L5 神经元就表现出异常延长的 Ca²⁺瞬变，而 L2/3 神经元则没有这种现象。这种变化不是由于 Aβ 在 L5 层更早沉积导致的，因为 Aβ 染色显示深层和浅层之间在斑块的起始和分布上没有差异。
2. L5/6 FSIs 的放电减少：Neuropixels 记录显示，APP/PS1 小鼠 L5/6 层的 FSIs 放电率显著降低，而 L2 - 4 层的 FSIs 放电率没有明显变化。在 App^NL-G-F小鼠中也观察到类似现象，且这种变化不是由行为差异引起的。
3. L5/6 FSIs 的视觉调谐受损：在 APP/PS1 小鼠中，L5/6 层的 FSIs 对视觉刺激的方向和方向选择性异常增加，即对特定方向和方向的调谐比正常情况更明显，同时对非偏好方向的反应减少。这种增加的调谐与自发放电的抑制相关。
4. L5/6 兴奋性神经元的 bursting 增加：尽管 APP/PS1 小鼠 L5/6 层的 RS 兴奋性神经元在休息时的平均放电率与 WT 小鼠相当，但在跑步时，其放电率会显著降低。同时，APP/PS1 小鼠 L5/6 层的 RS 兴奋性神经元的 bursting（定义为两个或更多间隔小于 10ms 的动作电位）增加，而 L2 - 4 层则没有这种变化。
5. L5/6 特异性的 GluA4 和 NPTX2 减少：免疫组织化学分析表明，APP/PS1 小鼠 L5/6 层的兴奋性神经元中 NPTX2 表达显著降低，PV interneurons 中 GluA4 表达也相应减少，同时 L5/6 层 PV interneurons 上的兴奋性突触密度降低约 70%，而 L2/3 层没有这些变化。
6. AAV 诱导的 NPTX2 过表达的影响：在 APP/PS1 小鼠中，AAV 介导的 NPTX2 过表达显著增加了 L5/6 层 PV interneurons 上的兴奋性突触数量，同时增加了 FSIs 的放电活动，减少了 RS 兴奋性神经元的 bursting。

研究结论

研究表明，在 AD 小鼠模型中，大脑皮层 L5/6 层的 PV-FSIs 在疾病早期存在选择性损伤，这种损伤与 NPTX2 和 GluA4 的减少有关。NPTX2 过表达可以纠正这些异常，为 AD 的治疗提供了潜在的靶点。这一发现不仅有助于深入理解 AD 的发病机制，还为开发针对 AD 早期神经生理缺陷的治疗策略提供了新的方向。未来的研究可以进一步探索如何通过调节 NPTX2 和 GluA4 等相关分子，来改善 AD 患者的神经功能，延缓疾病的进展。