慢性光遗传激活海马CA1神经元诱导阿尔茨海默病样蛋白质组重塑及空间记忆损伤的机制研究

为解决神经元过度兴奋在阿尔茨海默病（AD）发生中的作用机制问题，研究人员通过光遗传技术持续激活野生型小鼠海马CA1区神经元，发现其蛋白质组呈现AD样改变（如突触蛋白下调、Aβ42分泌增加），并导致空间记忆损伤。该研究首次证明神经元过度兴奋本身足以触发AD早期病理改变，为散发性AD的机制研究和干预策略提供了新范式。

　　

在阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）的研究领域中，神经元过度兴奋（neuronal hyperactivity）长期以来被视为疾病早期的重要特征之一，但其究竟是AD的因还是果，以及它如何推动疾病进程，仍存在争议。以往的研究多依赖于携带家族性AD突变基因的转基因动物模型，这些模型虽然能模拟部分病理特征，却难以完全代表占AD病例97%以上的散发性AD。更关键的是，在成年大脑中，在没有遗传突变背景的情况下，单纯的神经元过度兴奋是否能诱发AD样的神经退行性病理变化，此前并不明确。

针对这一科学问题，来自加拿大魁北克心理健康研究所Cervo大脑研究中心的Iason Keramidis、Martina Samiotaki、Romain Sansonetti等研究人员，在Yves De Koninck教授的领导下，开展了一项创新性的光遗传学研究。他们利用稳定阶梯函数视蛋白（Stabilized Step Function Opsin, SSFO）对野生型（WT）和AD模型小鼠（5xFAD）的海马CA1区进行长达四周的慢性光遗传激活，并综合运用蛋白质组学、免疫印迹、电生理记录、行为学测试以及Aβ定量等技术，系统揭示了神经元过度兴奋如何驱动AD样的分子重塑与认知功能障碍。该研究成果已于2025年8月28日正式发表在交叉学科期刊《iScience》上。

本研究主要依托以下几项关键技术方法：一是使用AAV病毒载体介导的CaMKII_α启动子驱动SSFO或tdTomato在海马CA1区特异性表达；二是通过慢性光遗传刺激方案（每日2秒蓝光脉冲，持续4周）诱导神经元持续兴奋；三是采用液相色谱－串联质谱（LC-MS/MS）进行无标记定量蛋白质组学分析；四是借助自行设计的微光电极（micro-optrode）实现光电同步记录神经活动；五是利用Y迷宫空间记忆测试评估小鼠认知功能；六是通过酶联免疫吸附测定（ELISA）定量海马内Aβ₄₀和Aβ₄₂水平。实验所用野生型及5xFAD雄性小鼠均购自杰克逊实验室，并在同一设施内繁殖饲养。

研究结果部分主要包括以下发现：

首先，通过“SSFO光遗传激活海马CA1神经元并诱发神经元过度兴奋”这一部分实验，研究团队证实了光刺激能特异性且持久地激活CA1区神经元，并引起上游CA3和齿状回（Dentate Gyrus, DG）的c-Fos表达增加，多单位放电频率显著升高，而对照组tdTomato小鼠未见类似效应。

在“慢性海马光遗传刺激激活野生型小鼠的蛋白质翻译与磷酸化，但下调突触蛋白”部分，蛋白质组学分析显示，WT+SSFO小鼠海马中有778个蛋白质发生显著改变，其中556个上调、222个下调。基因本体（GO）富集分析表明，这些蛋白质主要参与翻译、蛋白质运输、自噬和磷酸化等生物过程，而突触（尤其是谷氨酸能和GABA能突触）相关蛋白普遍下调。值得注意的是，阿尔茨海默病通路中的31个蛋白质全部上调。

“早期AD病理改变5xFAD小鼠海马中的翻译、磷酸化和自噬”部分发现，3月龄5xFAD小鼠（处于症状前期）海马蛋白质组与WT+SSFO小鼠高度相似，特别是在翻译、自噬等通路上重叠率超过50%，且突触蛋白变化趋势一致。不过，5xFAD小鼠独特地上调了26S蛋白酶体亚基（如Psmb5、Psmd1等）和RELA（NF-κB p65），提示其处于更强的蛋白稳态应激状态。

关于“在海马中诱发慢性神经元过度兴奋下调5xFAD小鼠的mRNA剪接和蛋白质磷酸化”，研究团队发现5xFAD小鼠对光遗传刺激的反应与WT小鼠截然不同：其mRNA加工、剪接和蛋白质磷酸化等相关蛋白显著下调，而非上调。聚类分析表明，5xFAD+SSFO小鼠自成一群，而与WT+SSFO及5xFAD+tdTom小鼠分离，说明5xFAD小鼠存在可塑性闭塞（occluded plasticity）或蛋白稳态储备丧失。

通过“由过度兴奋在WT大脑与AD相关病理中引起的蛋白质组改变的相似程度”的共识聚类分析，团队进一步确认WT+SSFO小鼠与5xFAD+tdTom小鼠在蛋白质组层面上高度相似，而与WT+tdTom小鼠显著分离。这一发现从计算生物学角度支撑了“神经元过度兴奋足以引发AD样分子表型”的结论。

最后，在“野生型小鼠中的神经元过度兴奋诱发空间记忆缺陷并增强Aβ₄₂分泌”部分，行为学实验表明WT+SSFO小鼠出现类似6月龄5xFAD小鼠的空间记忆障碍；分子机制上，WT+SSFO小鼠海马中mTORC1信号通路关键分子Rheb和磷酸化核糖体蛋白S6（rpS6 Ser^240/244）表达增加，同时可溶性Aβ₄₂水平显著升高，提示神经元过度兴奋可直接促进淀粉样蛋白生成。

综合以上结果，本研究得出以下结论：慢性光遗传激活海马CA1区神经元足以在野生型小鼠中引发AD样的蛋白质组重塑，包括突触蛋白丢失、蛋白稳态通路激活、Aβ₄₂分泌增加以及空间记忆损伤。这种变化与症状前期的5xFAD小鼠高度相似，但在已处于病理状态的5xFAD小鼠中，进一步的刺激反而导致不同的反应模式，提示后者可能已耗尽了应对过度兴奋的分子储备。这些发现不仅确立了神经元过度兴奋作为AD病理驱动因素的关键地位，而且首次提供了一个不依赖遗传突变的、可用于模拟散发性AD早期事件的新型实验范式。

在研究讨论中，作者强调该工作为“神经元过度兴奋假说”提供了迄今最直接的证据，并揭示了Aβ与过度兴奋之间可能存在自我强化循环（self-reinforcing cycle）。此外，研究还提示抑制神经元过度兴奋有望成为AD早期干预的有效策略。当然，本研究亦存在一定局限性，如光刺激靶向的神经元群体较广、未考察效应长期性、未纳入其他AD模型（如tau蛋白病变模型）等，这些也为后续研究指明了方向。总体而言，这项研究深化了对AD发病机制的理解，为开发针对神经元活动异常的新型治疗手段奠定了重要基础。