海马CA1区OLM与非OLM生长抑素阳性中间神经元紧张性抑制及其可塑性的差异特征

《Frontiers in Molecular Neuroscience》：Distinct tonic inhibition and its plasticity in hippocampal OLM and non-OLM somatostatin-positive interneurons

　　

摘要：介导紧张性抑制的突触外GABAA受体（GABAARs）在调控神经元活动、突触可塑性以及海马依赖性学习和记忆中发挥关键作用。紧张性抑制本身被发现会发生可塑性变化，但对这种可塑性在海马中间神经元（INs）不同亚类中的描述仍不完整。在本研究中，研究人员结合全细胞电生理学与生物胞素填充神经元的形态学重建，研究了由短暂（3分钟）NMDA给药诱导的紧张性GABA能电流可塑性，对象为海马CA1区生长抑素阳性（SST+）INs中的oriens-lacunosum moleculare（OLM）和非OLM亚类。研究发现，在对照条件下，OLM INs的紧张性电流密度显著大于非OLM INs。短暂的NMDA受体激活显著增强了非OLM SST+ INs中一个亚群的紧张性电流密度（该亚群在累积分布中表现为中位数以上组），而OLM细胞的紧张性电流密度在NMDA处理后未表现出可塑性变化。鉴于在海马中，GABA能可塑性常涉及含α5亚基的GABAARs（α5-GABAARs），研究人员使用了选择性α5-GABAAR反向激动剂L-655,708，发现NMDA处理增加了非OLM INs中α5-GABAARs对紧张性电流的相对贡献。这些数据共同表明，尽管非OLM SST+ INs的紧张性电流密度低于OLM细胞，但前一组亚群的特征在于对NMDA诱导的紧张性电流密度变化具有更高的易感性，并且这些可塑性变化与α5-GABAARs贡献的增加有关。上述观察结果表明，非OLM和OLM SST+ INs在调节海马网络活动中存在明确的功能特化。

一、研究背景与科学问题

海马体在学习、记忆形成和空间导航中扮演核心角色，其正常功能依赖于兴奋性与抑制性突触活动的精确平衡。传统研究多聚焦于由瞬时GABA释放介导的快速时相性突触抑制，但越来越多的证据强调了紧张性抑制电流的重要性——这是一种由低浓度环境GABA激活高亲和力突触外受体而产生的持续性抑制形式。在海马中，紧张性抑制主要由含α5和δ亚基的受体介导，这些受体产生持久的氯离子电导，能够调节神经元输入电阻、膜时间常数以及输入-输出功能的增益，从而影响树突整合、动作电位发放和整体信息处理。此外，紧张性抑制和α5-GABA_ARs对于突触可塑性以及海马依赖的学习和记忆至关重要。

近期研究表明，紧张性抑制并非静态的背景过程，而是表现出显著的可塑性，使抑制性张力能够适应神经元活动、发育或病理状态。然而，对这种可塑性在不同海马中间神经元亚类中的描述仍不完整。生长抑素阳性（SST+）中间神经元是一个异质性群体，其中oriens-lacunosum moleculare（OLM）细胞是最丰富的亚群，它们接收来自CA1区oriens层（SO）的反馈兴奋，并对CA1锥体细胞远端树突提供靶向抑制，同时通过抑制其他中间神经元来去抑制近端树突，从而调节来自CA3区和内嗅皮层的兴奋性输入。其他非OLM SST+ INs则主要参与局部抑制和去抑制微环路。这种多样性意味着可塑性变化可能并非在所有SST+ IN亚型中均一发生。然而，不同的SST+ IN群体在紧张性抑制电流的可塑性方面是否存在差异尚不清楚。因此，理解NMDA诱导的可塑性如何差异性调节特定SST+ IN亚群的紧张性电流密度，对于阐明它们在学习和记忆中的精确贡献至关重要。

二、研究内容、结论与意义

研究人员利用短暂（3分钟）NMDA给药方案（已知可诱导异突触抑制性长时程增强，iLTP），结合全细胞电生理记录和免疫荧光技术，研究了海马CA1区两种SST+ IN亚型——OLM细胞和非OLM细胞——中紧张性抑制的可塑性。主要发现如下：

1. 1.
   在对照条件下，OLM细胞的紧张性电流密度显著高于非OLM细胞，凸显了它们的功能异质性。
2. 2.
   短暂的NMDA受体激活引发了细胞类型特异性的紧张性抑制可塑性变化：OLM细胞的紧张性电流密度保持不变，但非OLM细胞的一个亚群（基于累积分布的中位数以上组）的紧张性电流密度显著增加。
3. 3.
   NMDA诱导的非OLM细胞紧张性电流密度变化与α5-GABA_ARs在总紧张性电流密度中所占百分比贡献的显著增加有关。

这些发现表明，短暂的NMDA受体激活在SST+ INs的一个亚群中诱导了细胞类型特异性的紧张性抑制可塑性，并伴随着α5-GABA_ARs相对贡献的增加，突出了SST+ IN亚型之间紧张性抑制调控的潜在差异。该研究首次提供了OLM和非OLM SST+ INs在紧张性抑制的基础特性及其可塑性机制上存在显著差异的证据，强调了将SST+ INs异质性纳入抑制性环路功能模型的必要性。

三、关键技术方法

1. 1.
   转基因小鼠品系与样本来源：使用SST-Cre（JAX 013044）与Ai14（JAX 007914）杂交的小鼠，雌雄兼用，年龄为20-24天，来源于弗罗茨瓦夫医科大学动物设施。
2. 2.
   脑片制备：制备350 μm厚的海马脑片。
3. 3.
   全细胞膜片钳电生理记录：在室温下，对位于海马CA1区SO层的tdTomato荧光标记的SST+ INs进行记录。使用高KCl电极内液（含0.3%生物胞素），在电流钳模式下评估放电特性，然后在电压钳模式（钳制电位-70 mV）下测量GABA_AR介导的紧张性电流。在外部溶液中加入河豚毒素（TTX）和DNQX以阻断动作电位和快速谷氨酸能突触电流。
4. 4.
   药理操作：使用依托咪酯（3 μM）增强紧张性电流，印防己毒素（PTX，100 μM）阻断所有GABA_AR介导的电流，NMDA（20 μM，3分钟）诱导可塑性，L-655,708（20 nM）作为选择性α5-GABA_AR反向激动剂。
5. 5.
   免疫荧光染色与形态学重建：记录后固定脑片，用链霉亲和素偶联的Alexa Fluor 488染色生物胞素，通过共聚焦显微镜成像，并使用neuTube软件进行半自动追踪以重建神经元形态。

四、研究结果

3.1 形态学重建和放电模式分析识别出两个SST+ IN亚群

通过形态学重建（轴突投射模式）和放电模式分析（特别是sag电位幅度）将SST+ INs分为OLM和非OLM两类。OLM细胞具有延伸至stratum lacunosum-moleculare（SLM）的长轴突和显著的sag电位（18.08 ± 2.07 mV），而非OLM细胞的轴突较短，投射至SO和stratum radiatum（SR），sag电位较小（3.75 ± 0.58 mV）。此外，OLM细胞比非OLM细胞具有更负的静息膜电位、更大的膜时间常数、更高的动作电位阈值和更大的动作电位幅度。

3.2 不同的SST+ IN亚型表现出不同的紧张性电流密度

在对照条件下，应用依托咪酯增强紧张性电导，并以PTX应用后的零电流水平为基准计算紧张性电流密度。OLM细胞的平均原始紧张性电流（45.73 ± 11.21 pA）和紧张性电流密度（0.70 ± 0.20 pA/pF）均显著高于非OLM细胞（分别为18.57 ± 3.02 pA和0.27 ± 0.04 pA/pF）。这表明这两种SST+ IN亚型之间存在突触外GABA_ARs表达的差异。

3.3 OLM和非OLM SST+ INs中不同的NMDA诱导的紧张性电流可塑性

在稳定基线记录后，应用NMDA（20 μM）3分钟以诱导可塑性。结果显示，OLM组的平均紧张性电流密度在NMDA处理后无显著变化。非OLM INs作为一个整体群体，其平均紧张性电流密度虽有升高趋势但未达统计学显著性。然而，累积分布分析显示，NMDA处理的非OLM细胞相对于对照组，其紧张性电流密度分布向右偏移，主要发生在分布的上半部分（中位数以上组）。进一步分析证实，在中位数以上组中，NMDA处理显著增加了紧张性电流密度，而中位数以下组无变化。相比之下，OLM细胞无论中位数以上还是以下组均未见显著变化。这表明非OLM细胞中一个亚群对NMDA诱导的可塑性高度敏感，而OLM细胞对此种调节具有抵抗性。

3.4 iLTP的诱导增加了非OLM SST+ INs中α5-GABA_ARs对紧张性电流的相对贡献

为探究α5-GABA_ARs的作用，研究人员应用了其选择性反向激动剂L-655,708。在非OLM INs（中位数以上组）中，L-655,708在对照和NMDA处理条件下均显著降低了紧张性电流密度。在OLM INs中，L-655,708在对照条件下无显著效应，但在NMDA处理后显著减弱了紧张性电流。尽管L-655,708敏感的紧张性电流密度的绝对值在两组间无显著差异，但分析显示，在非OLM INs中，iLTP组α5依赖性成分占总紧张性电流密度的平均百分比贡献（62.42%）显著高于对照组（47.47%）。在OLM INs中观察到类似趋势但未达统计显著性。此外，在NMDA处理的非OLM INs中，紧张性电流密度与L-655,708敏感性成分呈强正相关（r = 0.95），表明较大的NMDA诱导的紧张性电流增加与较大的α5-GABA_AR介导成分相关。

五、讨论与结论总结

本研究的核心发现是，不同的SST+ IN亚类在紧张性电流密度及其对外源性NMDA诱导的可塑性易感性上存在差异。OLM细胞的紧张性电流密度显著高于非OLM细胞，但前者对此种可塑性具有抵抗性，而后者的一个亚群（中位数以上组）则表现出增强，且伴随α5-GABA_ARs相对贡献的增加。这一发现扩展了此前关于紧张性抑制在锥体细胞和各类海马INs中表现出异突触、NMDAR依赖和细胞类型特异性可塑性的观察。

研究认为，非OLM SST+ INs的低基础紧张性电流密度和较高的可塑性易感性，与OLM细胞的高基础值和低可塑性形成了鲜明对比，这反映了SST+ IN群体内部显著的功能异质性。这种差异可能与它们不同的连接模式有关：OLM细胞通过紧张性电导调节远端内嗅皮层输入，而其他SST+群体主要参与局部抑制性处理。NMDA诱导的可塑性中α5-GABA_ARs贡献的增加，与该受体亚型在海马学习记忆中的关键作用相符，也支持了α5-GABA_ARs在突触外和突触定位之间重新分布可能是抑制性可塑性关键机制的假说。

研究结论：本研究结果证明了海马CA1区SST+ INs在紧张性抑制及其可塑性方面存在显著的异质性。据研究人员所知，这是首次提供证据表明OLM和非OLM SST+ INs在紧张性抑制的基础特性和可塑性机制上存在实质性差异。这些发现强调了将SST+ INs异质性纳入抑制性环路功能模型的重要性，因为亚型特异性的紧张性抑制功能和调节可能深刻影响树突兴奋性、突触整合以及与学习和记忆相关的海马网络计算。此外，这些观察可能具有转化医学价值，因为本研究中涉及的α5-GABA_ARs被认为是神经系统和精神疾病的有前景的治疗靶点。