小脑高尔基细胞中树突间的信号协同检测驱动 STDP：解锁小脑学习的新机制

在神经系统研究中，明确小脑高尔基细胞（GoCs）突触可塑性机制至关重要。研究人员以 GoCs 为对象，开展了其长时程突触可塑性（STDP）研究。结果发现，mf-pf 输入时间差诱导 GoC 的 STDP，且该过程依赖 AP、Ca2+ 、NMDA 受体等。这为理解小脑计算和学习提供了新视角。

　　在大脑的奇妙世界里，长时程突触可塑性一直被视作学习和记忆的重要基石。在小脑这个神秘的区域，它同样发挥着关键作用。以往，人们认为小脑的突触可塑性主要和运动学习紧密相关，尤其是平行纤维（pf）- 浦肯野细胞突触被视为可塑性的关键位点。然而，随着研究的不断深入，科学家们发现小脑的功能远不止于此，它还涉及情绪和认知控制等多个方面，并且在颗粒层、分子层和小脑深部核团中存在超过 15 种不同形式的长时程突触可塑性。不过，这些可塑性的具体机制和作用在大多数情况下仍然是未解之谜。

在小脑的颗粒层，作为小脑的输入阶段，苔藓纤维（mf）刺激引发的双向长时程突触可塑性已在颗粒细胞和高尔基细胞（GoCs）中被观察到。GoCs 作为颗粒层主要的抑制性中间神经元，就像一个精密的 “信号调节器”，对传入信息的时空转换起着重要的调控作用。它接收来自 mf 和颗粒细胞升支轴突的兴奋性输入，以及来自 pf 的兴奋性输入，这种独特的双重输入结构，使得 GoCs 能够关联不同的小脑模块。但一个关键问题是，作用于 GoCs 不同树突区域的时间相关突触输入，是否以及如何为依赖于峰电位时间的可塑性（STDP）提供基础，此前一直未得到探索。

为了解开这些谜团，意大利帕维亚大学（University of Pavia）的 Eleonora Pali、Stefano Masoli 等研究人员开展了深入研究。他们通过实验发现，在 mf-GoC 突触上存在反称性 Hebbian STDP，这种可塑性由 mf-pf 输入在 ±50 ms 时间窗内的重复配对诱导产生。当 pf 刺激引发的动作电位（AP）在 mf 突触激活之后出现时，会诱导长时程增强（st-LTP）；反之则诱导长时程抑制（st-LTD）。该 STDP 的诱导需要 AP 从顶树突向基树突的反向传播、mf-GoC 突触上 NMDA 受体的激活以及细胞内钙变化。此外，抑制性调控能够改变 STDP 的极性，而且 STDP 主要发生在 theta 频段（4 - 8Hz）。这一研究成果发表在《Communications Biology》上，为深入理解小脑的计算和学习机制提供了重要线索。

研究人员在实验中主要运用了以下关键技术方法：

1. 全细胞膜片钳记录技术：对急性小鼠小脑切片中的 GoCs 进行全细胞膜片钳记录，以此来检测细胞的电生理活动。
2. 刺激技术：使用玻璃单极电极分别刺激 mf 和 pf，通过不同的刺激模式诱导 STDP，并记录相关电生理变化。
3. 药理学方法：应用各种受体拮抗剂，如甘氨酸受体拮抗剂士的宁、GABA_A受体拮抗剂 SR 95531 以及 NMDA 受体拮抗剂 D - APV 和 7 - Cl Kyn 等，来研究不同受体在 STDP 过程中的作用。
4. 构建模型：建立多室 GoC 模型，结合钙动力学的可塑性机制，模拟实验条件，进一步探究 STDP 的发生机制。

研究结果

1. STDP 受 mf 和 pf 输入相位差调控：通过电生理记录，研究人员发现，按照不同的时间差（Δt）对 pf - AP 和 mf - EPSP 进行配对刺激，在特定的 Δt 范围内会诱导出不同方向的 STDP。如 Δt 为 - 10 和 - 25 ms 时，pf - AP→mf - EPSP 配对诱导显著的 st - LTD；Δt 为 + 10 和 + 25 ms 时，mf - EPSP→pf - AP 配对诱导显著的 st - LTP。而且这种 STDP 具有精确的时间窗口，当 Δt≥±50 ms 时，st - LTD 或 st - LTP 消失，表明 mf 和 pf 输入的时间顺序和相位差是 mf - GoC 可塑性的关键决定因素。
2. STDP 依赖 pf 刺激引发的 AP：研究人员通过三组实验验证了 AP 在 STDP 诱导中的重要性。分别将 pf 刺激替换为 mf 刺激、向 GoC 胞体注入去极化电流模拟 AP 以及使用亚阈值 pf 刺激，结果表明，只有 pf 刺激引发的 AP 才能作为诱导 STDP 的必要关联信号，激活基树突或在胞体模拟 AP 都无法诱导出正常的反称性 Hebbian STDP。
3. STDP 需要突触后钙变化和 NMDA 受体激活：增加细胞内溶液中钙缓冲剂 EGTA 的浓度，抑制细胞内钙变化，会阻止 st - LTD 和 st - LTP 的诱导；使用 NMDA 受体拮抗剂阻断 NMDA 受体，同样会抑制 STDP 的发生。这表明 mf - GoC STDP 的诱导需要突触后钙变化和 NMDA 受体的激活。
4. NMDA 受体驱动的膜去极化程度影响 STDP：研究发现，当 pf - AP 先于 mf - EPSP 时，膜去极化程度较弱，诱导 st - LTD；当 mf - EPSP 先于 pf - AP 时，膜去极化程度较强，诱导 st - LTP。通过测量 STDP 诱导过程中记录曲线的面积（AUC），进一步证实了膜去极化程度与 STDP 方向之间的关系，且 AUC 值与 EPSC 变化呈正相关。
5. 抑制作用塑造 STDP：去除细胞外液中的 GABA 和甘氨酸受体拮抗剂后，STDP 的极性发生反转，说明抑制性信号对 mf - GoC STDP 的时间规则有显著影响，抑制性电路在 STDP 调控中起着关键作用。
6. STDP 局限于 theta 频段：研究人员在不同频率下进行 pf - AP 和 mf - EPSP 配对刺激，发现 STDP 主要发生在 4 - 6Hz 的 theta 频段，在 1Hz 和 10Hz 时 STDP 消失，表明 mf - GoC STDP 发生在特定的频率范围内，这有助于将突触修饰限制在 theta 频段。
7. STDP 表达位于突触后：通过对 EPSC 的配对脉冲（PP）刺激实验，分析 PPR 和 CV 的变化，发现诱导 st - LTD 和 st - LTP 后，PPR 和 CV 均无显著变化，这表明 mf - GoC STDP 可能是通过改变量子大小来实现的，暗示其表达机制位于突触后。

研究结论与讨论

该研究首次证实了小脑 mf - GoC 突触上存在 STDP，这一发现意义重大。它不仅为小脑学习和记忆机制的研究提供了新的视角，还揭示了 GoC 独特的树突结构在 STDP 中的重要作用。树突位置对 mf - GoC STDP 的学习规则有着深远影响，顶树突特性对 mf 输入的调制起着关键作用，使得这种 STDP 更像是一种依赖于树突棘电位的可塑性。

NMDA 受体在 mf - GoC STDP 中起着核心作用，其激活与否直接影响着 STDP 的诱导。抑制性电路作为一种 Hebbian/anti - Hebbian 开关，能够改变 STDP 的极性，这进一步说明了抑制性信号在调控突触可塑性中的重要性。

此外，mf - GoC STDP 主要在 theta 频段发挥作用，这与小脑网络中低频振荡的主导地位相契合，暗示它可能在协调小脑与其他脑区的功能活动中发挥作用，如在自愿运动、静息注意力和睡眠等特定功能状态下，将小脑的活动与大脑其他区域的活动进行同步。

然而，目前对于 mf - GoC STDP 在小脑学习中的具体作用机制，仍有许多未知之处，如它与其他突触可塑性形式之间的相互作用，以及在不同行为状态下的变化规律等。未来需要进一步开展大规模网络模拟和实验研究，以全面揭示 mf - GoC STDP 在小脑学习中的作用，为深入理解大脑的学习和记忆机制提供更坚实的理论基础。