《Cell Reports》：Maturation of hippocampus-medial prefrontal cortex projections defines a pathway-specific sensitive period for cognitive flexibility
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为解决早期生命阶段海马-前额叶皮层（HPC-mPFC）通路发育如何影响成年认知功能的问题，研究人员通过病毒示踪、光遗传学膜片钳、化学遗传学和行为学实验，发现腹侧与中间CA1（vCA1/iCA1）到前额叶的投射具有不同的解剖与突触成熟轨迹，并鉴定出幼年期（P15-P30）是通路特异性敏感期，抑制vCA1-mPFC通路损害雌性成年认知灵活性，而抑制iCA1-mPFC通路反而改善两性认知灵活性。该研究揭示了发育关键期对神经精神疾病风险的潜在机制。
海马体（Hippocampus, HPC）作为大脑中负责学习记忆与情绪调控的关键脑区，其沿隔颞轴（septotemporal axis）可分为背侧（dorsal）、中间（intermediate）和腹侧（ventral）三个功能各异的分区。其中，腹侧海马（vHPC）与中间海马（iHPC）主要投射至内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, mPFC），形成HPC-mPFC通路，该通路在决策、恐惧记忆和焦虑样行为中起重要作用。然而，这些分区特异性投射在出生后是如何发育成熟的？其发育时间线是否影响成年后的高级认知功能？这些问题至今尚未明确。早期生命是神经发育性与精神性疾病的高发期，患者及动物模型均发现HPC与mPFC存在结构和功能异常，且HPC-mPFC连接紊乱常见于精神分裂症、抑郁症等疾病。尽管感觉皮层等脑区的发育“关键期”（critical period）研究已较为深入，但HPC-mPFC通路是否存在类似的发育敏感期，以及其如何调控成年认知行为，仍是未知领域。
为解决上述问题，研究人员运用病毒追踪、光遗传辅助膜片钳、化学遗传学和行为学等多技术手段，系统描绘了小鼠从出生后10天（P10）至成年（P60）阶段，vCA1与iCA1神经元投射至mPFC及其他下游脑区的解剖与突触发育轨迹，并通过在特定发育时期抑制vCA1-mPFC或iCA1-mPFC通路，探究了其对成年后认知灵活性（通过外维度定式转换任务测量）的长时程影响。
本研究的关键技术方法包括：利用AAV1-ChR2-EYFP病毒进行细胞特异性投射标记与光遗传刺激；运用全细胞膜片钳技术记录mPFC锥体神经元的自发兴奋性/抑制性突触后电流（sEPSCs/sIPSCs）及光诱发突触反应；通过化学遗传学（DREADD）技术特异性抑制vCA1或iCA1投射至mPFC的神经元；使用外维度定式转换（ED set shifting）行为范式评估认知灵活性；并对不同发育时间点（P10, P15, P21, P30, P60）的小鼠脑组织进行免疫组化分析轴突末端密度。实验动物为C57BL/6J小鼠，包括雌雄个体。
vCA1与iCA1投射的解剖成熟存在区域特异性时程差异
研究人员发现，vCA1和iCA1的轴突早在P10就已到达包括mPFC在内的多个目标脑区。然而，其终端密度在不同目标脑区的发育变化模式各异。vCA1到腹侧隔核（LSV）、基底外侧杏仁核（BLA）、终纹床核（BNST）和外侧下丘脑（LH）的投射在P15时密度较高，随后（P21-P30）发生修剪而降低。相反，iCA1到背侧隔核（LSD）、中间隔核（LSI）的投射密度随年龄增长而下降，而其到伏隔核（NAc）壳部、丘脑连结核（Re）和LH的投射则在较晚年龄（P30-P60）增加。在mPFC内，vCA1到前边缘皮层（PL）和边缘下皮层（IL）各层的终端密度从P15起即保持稳定，而iCA1到PL（而非IL）的终端密度则从P30开始显著增加。这些结果表明，vCA1和iCA1投射的解剖学成熟具有显著的靶区域特异性。
vCA1与iCA1到mPFC的突触传递呈现不同发育轨迹
通过光遗传刺激结合膜片钳记录，研究发现vCA1-mPFC通路在P21至P30/P60期间，配对脉冲比率（PPR）降低，表明其突触前释放概率增加，这种变化在vCA1-PL通路中尤为明显，且存在雌性特异性。而vCA1-mPFC通路的突触后效能（AMPA受体电流幅度及AMPA/NMDA比率）在发育过程中基本保持稳定。与之对比，iCA1-mPFC通路（尤其是iCA1-PL）的PPR在P15最高，随后下降，同时其AMPA/NMDA比率在P15至P30间升高，表明其突触后效能也在此阶段成熟。iCA1-IL通路的突触前成熟（PPR降低）则延迟至P60。这些数据揭示了vCA1和iCA1到mPFC的突触前和突触后成熟存在通路特异性的异步性。
幼年期而非成年期抑制CA1-mPFC通路差异性调控成年认知灵活性
为探究上述发育变化的功能意义，研究者在幼年期（P15-P30）或成年期（P60-P75）利用化学遗传学技术特异性抑制vCA1-mPFC或iCA1-mPFC通路，并在干预结束30天后测试其认知灵活性。结果发现，幼年期抑制vCA1-mPFC通路会导致雌性小鼠在成年期出现外维度定式转换障碍，而雄性小鼠不受影响；成年期进行相同抑制则无此效应。出乎意料的是，幼年期抑制iCA1-mPFC通路反而改善了雄性和雌性小鼠的成年期外维度定式转换表现，成年期抑制则无影响。此效应具有行为特异性，并未伴随焦虑样行为或运动能力的改变。这些结果确立了幼年期（P15-P30）是vCA1-mPFC和iCA1-mPFC通路调控成年认知灵活性的关键敏感期，且两条通路的作用相反。
幼年期通路抑制引起成年期mPFC自发性突触传递的持久改变
研究进一步检测了幼年期通路抑制对成年期mPFC神经元自发性突触活动的影响。发现幼年期抑制vCA1-mPFC通路后，成年雌性小鼠PL层5锥体神经元的sEPSC频率和sIPSC幅度降低。而幼年期抑制iCA1-mPFC通路后，成年雄性小鼠PL神经元的sEPSC频率增加，雌性小鼠的sIPSC频率增加。成年期进行通路抑制则未引起显著变化。这表明幼年期对HPC-mPFC通路的干预能够导致mPFC局部环路功能的持久改变，这可能是其影响成年认知行为的神经基础。
本研究系统阐明了海马腹侧与中间CA1区到前额叶皮层投射在出生后的发育蓝图，揭示了其解剖和突触成熟的通路特异性时间窗口，并首次发现幼年期是HPC-mPFC通路调控成年认知灵活性的敏感期。该研究不仅深化了对大脑高级认知环路发育的理解，而且为神经发育性精神疾病（如精神分裂症、焦虑症等）的早期干预提供了新的潜在靶点和时间窗口。研究提示，针对特定神经环路的干预措施，其效果高度依赖于发育阶段、具体通路以及性别因素，这为未来开发时空精准的神经精神疾病治疗策略奠定了重要的理论基础。论文发表于《Cell Reports》。
