阿尔茨海默病模型小鼠海马兴奋性与抑制性突触连接紊乱及其对认知功能的影响

本研究针对阿尔茨海默病（AD）中海马网络过度兴奋的形态学基础问题，通过电子显微镜技术对3xTg-AD模型小鼠进行突触分类研究，发现抑制性突触至兴奋性神经元（I-to-E）的密度显著增加7倍，且兴奋性突触密度与空间学习能力呈负相关，为AD早期突触重组和兴奋-抑制失衡机制提供了新的形态学证据。

　　

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）作为最常见的神经退行性疾病，其发病机制一直是神经科学领域的研究热点。尽管家族性AD的致病机制相对明确，与淀粉样前体蛋白（APP）和早老素（presenilin）基因突变导致的Aβ过度产生密切相关，但散发性AD的发病诱因仍不清晰。近年来，大脑皮层和海马网络的过度兴奋现象在AD患者和动物模型中备受关注，甚至被认为是驱动疾病进展的关键因素。这种异常兴奋性可能与Aβ的神经毒性作用形成恶性循环：神经元活动促进Aβ生成，而Aβ又进一步增强神经元兴奋性。然而，这种过度兴奋背后的形态学基础，特别是突触水平的精细变化，尚未得到系统阐释。

为了解决这一问题，来自日本富山大学的研究团队在《IBRO Neuroscience Reports》上发表了最新研究成果。他们以5-6月龄雄性3xTg-AD模型小鼠为研究对象，通过结合行为学测试和电子显微镜技术，深入探究了海马CA1区突触连接的形态学改变及其与认知功能的关系。

研究采用的主要技术方法包括：使用3xTg-AD模型小鼠（n=6）和野生型对照（n=4）进行Morris水迷宫（MWM）空间学习能力测试；通过透射电子显微镜对海马CA1区进行超微结构观察；基于突触形态（不对称/对称）和突触后结构（棘状/非棘状）将突触分为四类：E-to-E（兴奋性至兴奋性）、I-to-E（抑制性至兴奋性）、E-to-N（兴奋性至非棘状结构）和I-to-N（抑制性至非棘状结构）；采用统计学分析比较组间差异及相关性。

分类基于EM的四种不同突触类型

研究人员首先建立了基于电子显微镜的突触分类体系。通过识别突触前囊泡形态（圆形囊泡对应兴奋性突触，多形性囊泡对应抑制性突触）和突触后致密带厚度（薄层为不对称突触，厚层为对称突触），结合突触后结构特征（树突棘、树突干或胞体），成功将海马突触分为四类。其中，位于树突棘上的不对称突触（E-to-E）是最常见的类型，而位于树突棘上的对称突触（I-to-E）在野生型小鼠中极为罕见。

学习表现与突触密度的相关性

行为学测试结果显示，虽然3xTg小鼠在Morris水迷宫测试中表现出学习能力下降的趋势，但与野生型小鼠的差异未达到统计学显著性。这种阴性结果可能与样本量较小有关，也与该品系小鼠在此年龄阶段突触可塑性保留较好的特性一致。进一步的相关性分析发现，当将两种基因型小鼠的数据合并时，E-to-E突触密度与第5天的逃避潜伏期呈显著正相关（R=0.6565, P=0.0392），与学习曲线的斜率呈负相关（R=-0.6485; P=0.0490），表明较高的兴奋性突触密度与较差的认知表现相关。更重要的是，当采用传统的两分类方法（将不对称突触视为一个整体）时，在AD小鼠中单独发现了显著的相关性（R=0.812, P=0.04986）。

最令人惊讶的发现是I-to-E突触密度的变化。这类罕见的突触在AD小鼠中的密度比野生型小鼠高出7倍（0.179±0.016 vs. 0.023±0.001 /μm³），且这种差异具有统计学意义（P=0.0313）。在AD小鼠中，I-to-E突触密度与逃避潜伏期呈现强烈的相关性趋势（R=0.913, P=0.058），暗示这种突触重组可能也参与了认知功能障碍的进程。

研究结论与讨论部分指出，这项工作从新的角度证实了海马过度兴奋对认知功能的损害作用。虽然大脑萎缩和突触丢失是AD晚期的典型特征，但在疾病早期阶段，突触连接实际上经历了复杂的重组过程：E-to-E突触可能减少，而I-to-E突触显著增加。这种变化可能是对Aβ诱导的过度兴奋的一种代偿性反应，旨在通过增加抑制性输入来维持神经元稳态。然而，这种代偿可能是不充分的，甚至可能导致兴奋-抑制平衡的破坏，从而加剧认知损害。

从机制层面看，AD相关的过度兴奋可能与多种离子通道功能障碍有关。研究团队此前发现细胞内Aβ可通过阻断大电导钙激活钾通道（BK通道）导致神经元过度兴奋，而其他研究也报道了延迟整流钾通道、瞬时外向钾通道和小电导钙激活钾通道（SK通道）的参与。此外，源自AD患者iPS细胞的神经元也表现出钠电流密度增加和兴奋性/抑制性突触活动失衡。

这项研究的重要意义在于提供了AD早期海马突触重组的直接形态学证据，特别是发现了I-to-E突触的异常增加。这不仅深化了我们对AD病理机制的理解，也为开发针对兴奋-抑制平衡调节的治疗策略提供了新思路。未来的研究需要进一步阐明这种突触重组的具体分子机制及其在AD病程中的动态变化规律。