髓鞘维持与新生调控成年小鼠运动皮层突触可塑性

《GLIA》：Myelin Maintenance and Addition Regulate Synaptic Plasticity in the Adult Mouse Cortex

　　

髓鞘在整个生命周期中具有影响突触数量或可塑性的能力。研究人员报告称，从P57天开始破坏少突胶质细胞（OL）和髓鞘的维持（Plp-CreERT2:: Myrffl/fl小鼠）会诱导髓鞘丢失，并损害动作电位传导和粗大运动表现。通过研究P57?+?60天小鼠初级运动皮层中稀疏标记的第V层锥体神经元，研究人员确定其顶端和基底树突棘密度正常；然而，更多树突棘是大的、稳定的蘑菇型棘，这些棘产生了更大振幅的微小兴奋性突触后电流。当研究人员转而阻止P57天后的OL和髓鞘新生（Pdgfrα-CreER:: Myrffl/fl小鼠）时，动作电位传导速度、粗大运动表现和树突棘密度均正常；然而，基底树突棘形态发生了改变。在没有成年期髓鞘形成的情况下，P57?+?60天小鼠的基底树突保留了P57?+?0天小鼠树突的形态学特征，即具有更高比例的薄型、可塑性棘。这些数据表明，现有的髓鞘对成为蘑菇型棘的棘比例施加了限制，从而使神经元保持可塑性，而成年期髓鞘形成则是基底（而非顶端）树突区室内棘稳定所必需的。这些数据显示髓鞘调节运动回路内的突触可塑性，并提供了一种髓鞘形成可能影响运动技能学习和/或回忆的潜在机制。

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一、研究背景与研究目的

运动皮层（motor cortex, MC）支持灵巧运动技能的获取与执行。其中，第V层锥体神经元向背侧延伸出顶端树突（apical dendrite）以接收来自第I层的输入，并向内延伸出基底树突（basal dendrite）以接收第V层内部的输入；这两类树突作为功能独立的神经元区室，整合来自有髓皮质-皮质或丘脑-皮质神经元的多种信息，从而决定运动皮层的输出。从这些树突上伸出的树突棘（dendritic spine）对应谷氨酸能突触的突触后区室，树突棘从小而薄的形态转变为大而稳定的蘑菇型棘（mushroom spine）的过程，反映了长时程增强（long-term potentiation, LTP）介导的突触巩固与强化。

既往研究表明，发育期的皮层髓鞘形成会降低视觉皮层第V层锥体神经元上的树突棘密度，并伴随关键期（critical period）的关闭，此时皮层环路对环境输入的快速重塑能力下降。髓鞘可通过物理和分子双重机制发挥可塑性刹车作用：限制神经突重组、调节神经递质释放、减少突触发生和突触周转，并调节轴突的内在兴奋性。由于少突胶质细胞（oligodendrocyte, OL）是长寿细胞，它们在发育期形成的髓鞘及其后续维持有可能在整个生命过程中持续调控突触可塑性。

同时，尽管中枢神经系统中大多数OL是在发育期产生的，但新的OL和髓鞘在成年期仍持续生成，并且已被证明对已习得技能和记忆的长期回忆至关重要。记忆的形成与提取是通过突触可塑性编码的，这提示成年期髓鞘形成有能力改变突触的数量或结构。然而，尚不清楚成年期髓鞘形成是否调节第V层运动皮层输出神经元接受的兴奋性输入的数量或稳定性。因此，本研究旨在探究在基础条件下，现有髓鞘和新髓鞘是否是成年小鼠运动皮层中突触密度或可塑性的关键调控因子。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员使用了两种转基因小鼠模型：（1）Plp-CreER^T2:: Myrf^fl/fl（PLPMyrf^fl/fl）小鼠，用于条件性敲除成熟OL中的转录因子MyRF，从而阻断OL存活和髓鞘维持；（2）Pdgfrα-CreER:: Myrf^fl/fl（RαMyrf^fl/fl）小鼠，用于条件性敲除少突胶质前体细胞（OPC）中的MyRF，从而阻断成年期OL新生和髓鞘形成。所有实验小鼠均在出生后第57天（P57）接受他莫昔芬灌胃给药。主要技术方法包括：免疫组织化学结合共聚焦显微镜进行细胞密度和髓鞘定量；透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM）评估髓鞘超微结构和轴突髓鞘化比例；离体脑片场电位记录检测胼胝体复合动作电位（compound action potential, CAP）传导速度；全细胞膜片钳电生理记录第V层锥体神经元的微小兴奋性突触后电流（miniature excitatory postsynaptic currents, mEPSCs）；利用Thy1-YFPH转基因小鼠进行稀疏标记，结合Neurolucida 360软件进行三维重建和树突棘形态分类。

三、研究结果

3.1 成年期条件性敲除OL中的MyRF导致髓鞘丢失并减慢复合动作电位传导

研究人员发现，P57?+?56天的PLPMyrf^fl/fl小鼠运动皮层和胼胝体中髓鞘碱性蛋白（MBP）标记显著减少，并伴有明显的胶质增生（Iba1⁺小胶质细胞和GFAP⁺星形胶质细胞面积增加）。TEM结果显示，P57?+?35天时，胼胝体中有髓轴突比例显著降低，且剩余有髓轴突中出现大量髓鞘解压缩现象。CAP记录显示，PLPMyrf^fl/fl小鼠的有髓轴突峰（M峰）幅度减小或消失，而无髓轴突峰（UM峰）幅度增大，且剩余有髓轴突的传导速度显著减慢。这些结果表明，破坏OL和髓鞘维持可导致严重的功能性脱髓鞘。

3.2 成年期敲除OL中的MyRF导致运动功能障碍

行为学测试显示，PLPMyrf^fl/fl小鼠在网格行走任务中于P57?+?35天出现显著步错误差增加，在平衡木行走任务中于P57?+?21天即出现足滑次数显著增多。DigiGait跑步机步态分析显示，后肢步频降低、摆动时间延长，提示前后肢协调能力受损。此外，四爪抓力从P57?+?42天开始显著减弱，而前爪抓力正常，表明髓鞘在后肢相关环路中可能更易受损。这些数据表明，髓鞘维持对于精细运动技能和已建立的复杂运动模式的执行至关重要。

3.3 OL和髓鞘维持使第V层锥体神经元保留高比例的薄型、高可塑性树突棘

通过对P57?+?60天Thy1-YFPH标记的小鼠运动皮层第V层锥体神经元进行三维重建和分析，研究人员发现PLPMyrf^fl/fl小鼠顶端和基底树突的总棘密度与对照组无差异。然而，在形态分类中，PLPMyrf^fl/fl小鼠的顶端和基底树突上蘑菇型棘的密度均显著升高，而薄型棘的比例相应降低。这种形态变化的功能后果在全细胞膜片钳记录中得到验证：PLPMyrf^fl/fl小鼠第V层锥体神经元的mEPSC幅度显著增大，累积分布曲线右移，且mEPSC频率也升高。这表明，失去髓鞘维持后，原本应保持可塑性的薄型棘过度转化为稳定的蘑菇型棘，导致突触传递增强。

3.4 条件性敲除成年OPC中的MyRF阻止OL新生和髓鞘形成

在RαMyrf^fl/fl小鼠中，研究人员通过YFP谱系追踪证实，从P57?+?30天开始，运动皮层和胼胝体中新生OL（YFP⁺PDGFRα^?OLIG2⁺）的比例即显著降低，至P57?+?120天时分别减少约79%（运动皮层）和82%（胼胝体）。进一步分析显示，BCAS1⁺前髓鞘化OL的密度同样大幅下降。TEM结果显示，P57?+?60天时两组有髓轴突比例相当，但到P57?+?345天时，对照组有髓轴突比例趋于高于RαMyrf^fl/fl小鼠（p=0.0505），表明长期阻断成年期OL新生最终会导致髓鞘化轴突数量的相对不足。

3.5 阻止成年期OL新生不损害运动表现

与PLPMyrf^fl/fl小鼠不同，RαMyrf^fl/fl小鼠在长达P57?+?330天的观察期内，旋转杆、网格行走、平衡木行走、DigiGait步态分析和抓力测试等各项运动行为指标均与对照组无显著差异。胼胝体郎飞结和结旁长度及其分布也无异常，CAP传导速度和幅度均正常。这些结果表明，成年期新生的OL和髓鞘并非执行已建立的基本运动技能所必需。

3.6 成年期OL新生促进第V层锥体神经元基底树突上的棘稳定

在对P57?+?60天RαMyrf^fl/fl小鼠的树突棘分析中，顶端树突的各类型棘密度和比例均未受影响。然而，基底树突上薄型棘的密度显著升高，蘑菇型棘的比例显著降低。通过与P57?+?0天（即刚给予他莫昔芬时）的对照组比较，研究人员发现P57?+?0天小鼠基底树突的棘组成与P57?+?60天的RαMyrf^fl/fl小鼠高度相似——即具有高比例的薄型棘和低比例的蘑菇型棘。相比之下，P57?+?60天的对照组基底树突已经历了正常的成熟过程，表现为薄型棘减少、蘑菇型棘增加。这表明，成年期髓鞘形成是基底树突区室中薄型棘向蘑菇型棘转化并累积所必需的；缺乏成年期OL新生时，基底树突的突触结构被“冻结”在年轻状态。

四、讨论与结论

本研究的核心发现揭示了髓鞘在调控成年运动皮层突触可塑性中的双重角色：现有髓鞘通过限制蘑菇型棘的形成来维持神经元的可塑性储备，而成年期新生的髓鞘则特异性地促进基底树突区室的棘稳定化。

具体而言，当破坏髓鞘维持（PLPMyrf^fl/fl模型）时，失去髓鞘约束的神经元表现出过度的突触巩固——薄型棘大量转化为蘑菇型棘，导致mEPSC幅度增大，同时伴随动作电位传导障碍和运动功能衰退。这表明，发育期形成的髓鞘作为一种持续的“可塑性刹车”，防止突触过早或过度稳定，从而保证神经网络在面对新经验时仍具备足够的适应能力。

相反，当阻断成年期髓鞘形成（RαMyrf^fl/fl模型）时，基底树突未能完成随年龄增长应有的棘成熟过程，而是停留在年轻时的“高可塑性”状态。这一结果与先前关于成年期髓鞘形成支持运动学习和记忆巩固的研究相呼应，提示新生髓鞘可能通过稳定特定突触连接来编码和固化学习经验。值得注意的是，该效应仅限于基底树突区室，而顶端树突不受影响，暗示不同树突区室可能受到不同的髓鞘依赖性调控机制。

综上所述，本研究得出结论：髓鞘通过差异化地调控不同树突区室的棘形态转换，在维持突触可塑性与促进突触稳定之间实现动态平衡。这一机制为理解髓鞘如何影响运动技能的学习与回忆提供了重要的细胞基础，也为脱髓鞘疾病中认知和运动功能障碍的病理机制提供了新的见解。