《Frontiers in Synaptic Neuroscience》：Developmental changes in activity-dependent plasticity of maturation-related neuronal phenotypes
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摘要：成年海马齿状回（DG）神经元的未成熟状态与神经精神疾病的病理生理学有关。成年期神经元过度兴奋可诱导DG神经元的假性未成熟状态，这种“去成熟”（dematuration）即成熟过程的逆转，若在发育期被激活可能导致异常的神经元成熟。然而，尚不清楚发育期神经元
摘要：成年海马齿状回（DG）神经元的未成熟状态与神经精神疾病的病理生理学有关。成年期神经元过度兴奋可诱导DG神经元的假性未成熟状态，这种“去成熟”（dematuration）即成熟过程的逆转，若在发育期被激活可能导致异常的神经元成熟。然而，尚不清楚发育期神经元是否也能被诱导发生去成熟。本研究检测了电休克治疗（ECT）对不同发育阶段小鼠DG神经元的影响。研究人员使用海马脑片进行电生理记录，分析了作为DG神经元功能成熟度指标的苔藓纤维突触短时程可塑性——频率易化（frequency facilitation）。ECT在出生后早期对苔藓纤维突触传递无显著影响，但在≥4周龄时显著降低了频率易化，表明去成熟的诱导。神经元成熟标志物分析证实了这一结果。对ECT反应性的发育变化伴随着DG神经元兴奋性突触输入处N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体功能的成熟。研究结果表明，在小鼠DG中，ECT诱导的神经元去成熟在出生后4周变得可诱导。在这一发育阶段发生的神经元过度兴奋如癫痫发作或NMDA受体信号改变，可能影响DG神经元的正常成熟，从而增加神经精神疾病的风险。
研究背景与科学问题
海马齿状回（DG）颗粒细胞（GCs）的正常成熟对成年海马神经环路功能至关重要。已有证据表明，DG神经元未成熟状态与精神分裂症、癫痫和抑郁症等多种神经精神疾病的病理生理学密切相关。在多种神经精神疾病小鼠模型中均观察到DG颗粒细胞的未成熟表型。正常情况下，小鼠DG颗粒细胞在出生后经历显著的生理和功能特性发育变化，如钙结合蛋白（calbindin）这一成熟标志物的表达水平在出生后4-5周达到成年水平。然而，在缺乏Schnurri-2的精神分裂症模型小鼠中，calbindin表达在出生后2周至4周期间出现异常下降而非上升，提示出生后2-4周可能是决定颗粒细胞后续发育轨迹的关键窗口期。
前期研究发现，成年小鼠DG颗粒细胞的成熟状态可以被逆转为类未成熟状态，这一可塑性现象被称为“去成熟”。慢性抗抑郁药物处理和重复电休克治疗均可诱导成年小鼠颗粒细胞发生去成熟。值得注意的是，过度去成熟可能与抗抑郁药引起的躁狂转换样行为异常有关。此外，在颞叶癫痫小鼠模型中也观察到了去成熟现象。由于癫痫发作和电休克都能诱导去成熟，神经元兴奋可能在调控成年神经元成熟状态可塑性中发挥关键作用。光遗传学诱导的颗粒细胞兴奋最近也被证实能够诱导去成熟。在SNAP-25突变小鼠中，自发癫痫发作发生在出生后第21-24天之后，而出生后第16天开始的抗癫痫药物治疗挽救了颗粒细胞的未成熟表型，这提示神经元兴奋在发育期也可能影响颗粒细胞的成熟状态。
然而，目前尚无研究直接探讨年轻神经元中是否存在活性依赖的成熟逆转过程。出生后最初几周的癫痫发作通常不会引起海马环路的持久性改变如神经元损伤和突触重组，表明年轻神经元在某些方面对过度兴奋不敏感。为了理解与神经元成熟失调相关的神经精神疾病的发病机制，阐明不同发育阶段过度兴奋对年轻神经元的影响具有重要意义。
研究方法概述
研究人员使用C57BL/6J雄性小鼠，通过双侧电休克治疗（ECT）诱导神经元过度兴奋。采用场电位记录技术在海马脑片上分析苔藓纤维（MF）-CA3突触的频率易化（frequency facilitation）作为颗粒细胞功能成熟度的指标。通过实时定量PCR检测成熟标志物基因Calb1和Tdo2的表达水平。此外，研究了内侧穿通通路（MPP）-DG突触的谷氨酸能输入特性，包括AMPA受体和NMDA受体介导的突触传递以及高频刺激诱导的突触可塑性。
研究结果
3.1 ECT对发育期颗粒细胞成熟状态的影响
研究人员首先发现，苔藓纤维突触的频率易化在出生后约4周快速增加，这与颗粒细胞成熟标志物的表达增加平行。在9周龄成年小鼠中，重复三次ECT可将频率易化降低至幼年水平。将该处理范式应用于发育期小鼠后发现，ECT在3周龄小鼠中无显著效应，但在5周龄小鼠中显著降低了频率易化。统计分析显示，频率易化的显著降低最早出现在4周龄，且在6周龄时达到与成年ECT处理小鼠相当的程度。ECT不影响基础突触传递效率（EPSP/纤维波幅比值）和配对脉冲易化，排除了基础释放概率改变的干扰。分子标志物分析显示，在6周龄小鼠中，ECT显著降低了成熟颗粒细胞标志物Tdo2的表达水平，但对Calb1、双皮质素（Dcx）和微管相关蛋白2（Map2）的表达无显著影响，表明ECT特异性诱导了颗粒细胞的去成熟而非非特异性基因下调。
3.2 颗粒细胞谷氨酸能输入的发育性变化
为探究ECT效果发育性变化的机制，研究人员分析了MPP-DG突触的特性。在年轻小鼠中，AMPA受体介导的EPSP/纤维波幅比值显著低于成年小鼠，NMDA受体介导的EPSP/纤维波幅比值同样随发育显著增加。这些结果表明，ECT有效性的发育性升高与颗粒细胞谷氨酸能突触输入效能的增加相关。
3.3 高频刺激诱导的突触可塑性的发育性变化
在完整突触抑制存在的条件下，高频刺激（HFS）MPP输入在成年小鼠中仅诱导短暂的强直后增强（PTP），而无持续性改变。在年轻小鼠中，PTP幅度大于成年小鼠，且在≤2周龄的小鼠中，HFS还诱导了小幅的长时程抑制（LTD）。这种LTD可被NMDA受体拮抗剂D-APV阻断，而PTP不受影响。这表明，颗粒细胞谷氨酸能输入的高频激活所激活的NMDA受体依赖性信号在出生后最初几周内发生变化。
讨论与结论
本研究表明，小鼠DG颗粒细胞成熟相关表型的活性依赖性可塑性在出生后4-6周建立。三次ECT从第三周后开始处理显著降低了苔藓纤维突触的频率易化，表明去成熟的诱导。在更年轻的小鼠中，ECT无显著效应。神经元活性在早期成熟阶段促进颗粒细胞成熟，而在晚期成熟阶段则可诱导去成熟，表明神经元活性以细胞成熟阶段依赖的方式对发育期颗粒细胞的成熟状态产生双向调节作用。
ECT诱导的去成熟需要NMDA受体激活。ECT效果的发育性发展与NMDA受体介导的突触反应增加和NMDA受体依赖性LTD减少相关，提示NMDA受体依赖性信号的成熟可能与去成熟的可诱导性相关联。在年轻小鼠中，NMDA受体的激活水平可能不足以诱导去成熟，或者连接NMDA受体激活与去成熟诱导的胞内信号通路尚未完全发育。
在神经精神疾病模型方面，Schnurri-2敲除小鼠中神经元成熟过程在出生后第2周至第4周之间出现逆转，这一时间窗恰好与本研究中ECT变得有效的年龄吻合。病理性条件下增强的神经元兴奋可能导致发育期的去成熟，进而导致成年期异常成熟。炎症可通过增加神经元兴奋性，可能通过促进发育期去成熟的诱导而阻碍颗粒细胞的正常成熟。
在癫痫方面，SNAP-25突变小鼠的自发癫痫发作发生在出生后第21-24天后，而年轻大脑中的癫痫持续状态相比成年大脑更不容易引起后续自发癫痫和海马神经元损伤，这表明存在将急性癫痫发作与海马神经元持久性改变联系起来的发育性可塑性。本研究结果提示颗粒细胞去成熟在此可塑性中发挥作用。去成熟的颗粒细胞通常表现出增加的体细胞兴奋性，因此颗粒细胞去成熟的诱导理论上会促进后续癫痫放电和向慢性癫痫的转变。
研究结论：研究结果表明，在小鼠中，ECT诱导的DG颗粒细胞去成熟在出生后约4周建立。NMDA受体信号的成熟是导致ECT效果发育性变化的候选过程。在这一晚期发育阶段的神经元过度兴奋或NMDA受体信号改变可能扰乱DG神经元的正常成熟，从而可能增加精神分裂症和癫痫等神经精神疾病的风险。参与去成熟诱导的信号级联反应是预防这些疾病发病机制的潜在治疗靶点。
