早期发育期神经元活动通过AMPA受体影响少突胶质细胞分化

《GLIA》：Early Developmental Neuronal Activity Impacts Oligodendrocyte Differentiation Through AMPA Receptors

　　

少突胶质细胞产生髓鞘，髓鞘是一种富含脂质的膜结构，包绕中枢神经系统（CNS）中的神经元轴突，为其提供代谢和营养支持并实现跳跃式传导。发育过程需要精确调控且局部定位的神经元-少突胶质细胞通讯。在成熟大脑中，神经元活动促进少突胶质细胞前体细胞（OPC）增殖和分化，但OPC如何在发育早期、髓鞘形成开始之前对神经元活动作出反应，尚缺乏充分研究。研究人员以小鼠嗅觉系统、体感皮层和胼胝体为对象，探究了谷氨酸能神经元活动如何调控早期发育中的少突胶质细胞成熟。研究人员发现，无论是在感觉剥夺模型中还是利用体内化学遗传学手段诱导，神经元活动降低均能增加早期发育中的少突胶质细胞分化；反之，增强早期神经元活动则减少少突胶质细胞分化。此外，单细胞RNA测序（scRNA-seq）揭示，神经元活动降低时少突胶质细胞发生转录组变化，包括谷氨酸受体基因表达上调以及与突触发育相关通路的激活。最后，利用离体皮层切片培养，研究人员鉴定出AMPA受体（AMPAR）信号传导是少突胶质细胞成熟后期步骤的关键调控因子，而非分化起始阶段的调控因子。

该研究发表于《GLIA》期刊，旨在揭示早期发育阶段神经元活动与少突胶质细胞分化之间的独特调控关系。研究背景源于以下核心问题：少突胶质细胞是中枢神经系统中唯一的髓鞘形成细胞，为神经元提供代谢支持并实现跳跃式动作电位传导。OPC分化与髓鞘形成需要神经元轴突与OPC之间精确的空间和时间双向通讯，但这一重要的发育信号机制尚未被充分理解。此前研究表明，成年期的神经元活动能够促进少突胶质细胞增殖和分化（即少突胶质发生，oligodendrogenesis），然而在早期发育阶段，当OPC快速增殖且尚未进入正常发育性髓鞘形成期时，少突胶质细胞与神经元的关系 largely unclear。 specificaly，在嗅觉系统中，外侧嗅束（LOT）是中枢神经系统中最早发育的白质束之一，其髓鞘形成始于出生后第7天（P7）；而在皮层发育中，胼胝体在胚胎期第15天（E15）开始形成，P7左右OPC开始分化为前髓鞘化少突胶质细胞，P14开始 robust myelination。因此，在出生后的第一周内，轴突高度活跃却未髓鞘化，这为研究神经元活动如何独立于髓鞘需求而调控少突胶质发生提供了独特的窗口期。此外，关于谷氨酸能信号通过AMPAR调控少突胶质细胞的研究多集中于成年期或晚期发育阶段，其在早期发育中的作用尚不明确。基于此，研究人员假设在轴突尚未具备髓鞘化生理条件之前，神经元活动对少突胶质发生的影响与活跃髓鞘化时期不同。

该研究主要运用了以下关键技术方法：小鼠单侧鼻孔闭塞（UNO）感觉剥夺模型、化学遗传学（DREADD）技术结合Neurod6^tm1(cre)Kan（NexCre）转基因小鼠、在体及离体电生理记录、免疫组织化学与共聚焦显微成像、单细胞RNA测序（scRNA-seq）及伪时间（pseudotime）分析和通路分析、离体皮层切片培养及药理学干预。

研究结果部分如下：

**3.1 嗅觉系统中早期发育期神经元活动降低增加少突胶质细胞分化**

研究人员通过P0期实施UNO并在P5分析LOT，发现闭塞侧嗅球僧帽细胞和簇细胞中cFos⁺神经元减少，确认神经元活动降低。免疫染色显示，虽然OPC（PDGFRα⁺）数量无变化，但闭塞侧LOT中前髓鞘化细胞（BCAS1⁺）和成熟少突胶质细胞（PLP1⁺）显著增加。这表明早期发育期神经元活动降低促进少突胶质细胞分化，提示正常水平的神经元活动在此阶段对OPC分化具有抑制作用。

**3.2 化学遗传学降低谷氨酸能神经元活动增加少突胶质细胞分化，但不影响增殖**

为验证上述现象是否存在于其他脑区，研究人员在体感皮层和胼胝体采用Gi-DREADD化学遗传学技术，于P0注射AAV-hSyn-DIO-hM4D(Gi)-mCherry，P2-P8期CNO给药以降低谷氨酸能神经元活动。电生理记录确认CNO降低mCherry⁺神经元静息膜电位、增加其阈电位。与UNO结果一致，胼胝体和皮层中OPC数量无变化，但前髓鞘化细胞（BCAS1⁺、TCF7⁺）增加。EdU掺入实验显示OPC增殖无变化。这进一步证实早期发育期神经元活动对少突胶质细胞分化具有负调控作用，且不影响增殖。

**3.3 增强谷氨酸能神经元兴奋性降低少突胶质细胞分化，但不影响增殖**

研究人员进一步采用Gq-DREADD（AAV-hSyn-DIO-hM3D(Gq)-mCherry）增强神经元活动，发现皮层和胼胝体中BCAS1⁺和TCF7⁺前髓鞘化细胞减少，而PDGFRα⁺ OPC数量增加。增殖检测同样无变化。这直接证实神经元活动是早期发育阶段少突胶质细胞成熟的负调控因子，且OPC的积累可能是由于分化受阻所致。

**3.4 神经元活动降低改变少突胶质细胞谷氨酸受体表达**

对Gi-DREADD+CNO处理小鼠的少突胶质细胞进行scRNA-seq分析，UMAP聚类显示成功分离出OPC、前髓鞘化和成熟少突胶质细胞。伪时间分析显示NexCre⁺组细胞分布向更分化状态偏移，与体内数据一致。通路分析揭示突触后重塑相关通路上调。引人注目的是，多种谷氨酸受体基因表达显著变化，其中AMPAR亚基基因Gria2在整个少突胶质细胞谱系中上调，Gria3和Gria4在OPC中上调。这表明AMPAR基因在早期发育阶段的少突胶质细胞中显著表达，且其表达受神经元活动调控，提示少突胶质细胞AMPAR在响应神经元活动以调控早期成熟中具有重要作用。

**3.5 AMPAR刺激挽救神经元活动抑制效应对少突胶质细胞分化的影响**

研究人员建立P4小鼠离体皮层切片培养系统，确定6-8天体外培养（DIV）为分化高峰。TTX沉默神经元活动48小时增加PLP⁺成熟细胞比例，NBQX抑制AMPAR产生类似效果。当TTX与AMPA同时处理时，PLP⁺细胞比例恢复至对照水平，同时BCAS1⁺前髓鞘化细胞显著增加。类似地，Gi-DREADD+CNO处理增加PLP⁺细胞，而同时AMPA刺激使PLP⁺细胞恢复至对照水平，并伴随BCAS1⁺细胞增加和PDGFRα⁺细胞减少。这些结果表明，神经元活动通过AMPAR调控少突胶质细胞分化的后期步骤（至成熟细胞），但不调控OPC向前髓鞘化细胞分化的起始步骤。

讨论部分，研究人员综合分析了本研究与已有文献的关系。与成年期研究不同，早期发育期神经元活动减少促进少突胶质分化，这一发现与Mangin等（2012）在桶状皮层、Etxeberria等（2016）在视网膜膝状体通路的研究一致，揭示了髓鞘化开始前神经元-少突胶质细胞通讯的独特性。研究人员注意到，OPC在早期发育各脑区的电学和增殖特性相似，因此对神经元活动的响应具有可比性。Gq-DREADD实验直接证实神经元活动对分化的负调控，而增殖无变化则提示发育阶段依赖性——与成年模型中活动促进增殖不同。研究人员推测，早期发育中高度活跃却未髓鞘化的神经元可能通过不同机制与少突胶质细胞通讯。scRNA-seq揭示的AMPAR基因上调可能是对谷氨酸输入减少的代偿性反应，这类似于神经元的类似响应模式。研究人员还讨论了AMPAR在不同发育阶段作用可能存在的转变：髓鞘化前AMPAR激活抑制分化，而髓鞘化开始后促进少突胶质发生。离体实验的关键价值在于，即使TTX完全阻断动作电位，AMPA刺激仍可作用于AMPAR，这为少突胶质细胞AMPAR的直接作用提供了清晰证据。部分挽救现象（前髓鞘化细胞积累而成熟细胞恢复正常）提示神经元活动可能通过AMPAR依赖和非依赖的多重机制调控不同分化阶段。最后，研究人员展望未来研究方向，强调需进一步探究AMPAR信号在少突胶质细胞中的下游机制。

研究结论部分翻译如下：本研究揭示了早期发育期神经元活动对OPC分化的新作用：在发育性髓鞘开始前，神经元活动通过少突胶质细胞AMPAR部分介导的机制减少少突胶质细胞分化。这一发现与成年期模型形成鲜明对比，强调了神经元-少突胶质细胞通讯的发育阶段依赖性，并为理解早期脑发育中的髓鞘形成调控机制提供了重要见解。