综述：海马中多种形式长时程增强的机制与功能基础

《Frontiers in Synaptic Neuroscience》：The how and why for multiple forms of hippocampal LTP

　　

活动诱发的长时程增强（Long-Term Potentiation，LTP）以其快速诱导、突触特异性以及显著持久性为特征，长期以来一直被认为是记忆编码的主要基础。然而，关于产生增强状态的细胞机制，始终存在相当大的争议。看来，许多混乱可追溯于一种隐含假设，即仅存在一种稳定性增强形式。然而，Schaffer-连合（Schaffer-commissural，SC）输入至CA1以及来自内嗅皮层至齿状回（dentate gyrus，DG）的穿通路投射的LTP特征表明，海马环路的不同节点表达不同类型的LTP，而且即使在同一类突触群体内部也可发现差异。对于SC系统，短暂theta爆发刺激（theta burst stimulation，TBS）可诱发一种LTP，其表达表现为树突棘、突触后致密物（postsynaptic density，PSD）及相关AMPA受体池的扩张，并通过肌动蛋白细胞骨架重组而获得稳定。两性均使用这些机制，但雌性依赖局部合成的雌激素及突触雌激素受体以启动相关过程，而雄性则更依赖代谢型NMDA受体信号传导。延长的theta爆发序列、高频刺激（high frequency stimulation，HFS）以及脉冲时序范式所募集的LTP诱导机制，均不同于最简TBS所产生的机制。更为显著不同的一种增强形式则出现在外侧穿通路（lateral perforant path，LPP）与DG的连接中。在该情形下，LTP由突触后触发，但通过递质释放增加而在突触前表达，其中内源性大麻素提供了所必需的逆行信使。这些具有性别与区域特异性的可塑性差异，对情景记忆编码及神经系统损伤易感性具有重要影响。

1 Introduction

本文围绕海马长时程增强（Long-Term Potentiation，LTP）的异质性展开讨论。作者首先指出，LTP因具备快速诱导、长期持续和突触特异性，已被广泛视为记忆编码的核心突触机制。既往争论主要集中于增强效应究竟由突触前递质释放增加还是突触后反应增强所介导，以及哪些信号通路对LTP形成至关重要。本文认为，相关争议在很大程度上源于领域内长期默认“LTP只有一种稳定形式”的前提。基于海马CA1区Schaffer-连合（Schaffer-commissural，SC）投射和齿状回（dentate gyrus，DG）穿通路投射的大量研究，作者提出：海马内同时存在突触前型与突触后型LTP；不同解剖区域表达机制截然不同的稳定增强；同一突触群体也可因诱导条件不同而表现出不同LTP形式；此外，雌雄个体在LTP诱导机制上亦存在显著差异。本文据此聚焦SC-CA1与穿通路-DG这两类海马最经典的连接系统，讨论其诱导、表达与早期稳定化的多样性及其功能意义。

2 Theta burst stimulation and Schaffer-commissural LTP

本节讨论SC通路LTP，重点关注theta爆发刺激（theta burst stimulation，TBS）诱导的CA1区突触增强。TBS模拟学习过程中皮层神经元短时高频、受theta节律分隔的自然放电模式，因此被认为具有较强生理相关性。作者指出，围绕SC-LTP的研究建立了前脑中最为完整的LTP细胞生物学模型之一，但近期研究显示，该模型需要根据性别、海马纵轴位置及刺激参数进行修正。

2.1 Molecular substrates for postsynaptic induction and initial expression of SC LTP

SC-LTP的诱导位点位于突触后。经典10次爆发TBS可在CA1辐射层（str. radiatum）迅速诱导、输入特异且持续时间较长的增强，并具有约10–30 min的巩固窗口期。其初始步骤依赖电压依赖性NMDA受体（NMDAR）激活及Ca²⁺内流。theta间隔使中间神经元末梢上的GABA_B自受体被激活，短暂减弱抑制性分流，从而增强后续爆发所致去极化并促进NMDAR开放。

LTP表达同样主要体现于突触后。其证据包括：AMPA受体（AMPAR）介导电流增加而邻近NMDAR反应不变，提示NMDAR/AMPAR比值显著变化；LTP依赖突触后Ca²⁺升高和Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）活化；短TBS诱导的LTP不伴随释放概率升高，却伴随树突棘体积、突触后致密物（PSD）以及AMPAR池扩大。作者进一步指出，AMPAR增强除可能来自受体膜插入或侧向扩散外，也可能涉及亚突触结构域（subsynaptic domains，SSDs）重排及纳米柱（nanocolumns）配准优化。

在巩固机制方面，新近诱导的LTP可被低频刺激、腺苷灌注、缺氧或降温逆转，提示其稳定化需要额外过程。作者重点强调F-肌动蛋白（F-actin）聚合作为SC-LTP巩固的关键。TBS可使少量树突棘内F-actin显著增加，且依赖多条小GTP酶级联通路，包括RhoA、Rac、Cdc42和Ras。RhoA→RhoA kinase（ROCK）→LIMK→cofilin通路介导肌动蛋白聚合，而Rac/Cdc42与Ras对Arp2/3的调控有助于分支形成与结构稳定。该体系还受β₁整合素（integrin）、脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）/TrkB及腺苷A₁受体、雌激素等调制。β₁整合素和TrkB在TBS后共同参与细胞骨架重塑，支持LTP巩固。

2.2 Differences in SC LTP across the hippocampal septotemporal axis

SC-LTP沿海马隔侧-颞侧轴表现出显著区域差异。背侧（septal）海马对TBS更敏感，只需较少爆发即可产生稳定增强，而腹侧（temporal）海马需要更强刺激，且LTP幅度较小。作者认为，这种差异可能与局部抑制性中间神经元密度、单胺能投射分布及神经调质受体梯度有关。腹侧海马具有更丰富的去甲肾上腺素、多巴胺和5-羟色胺相关输入及受体，而背侧海马腺苷A₁受体水平较高。相比之下，BDNF及TrkB在纵轴上的分布差异不明显。

2.3 Ion flux independent NMDAR functions support stabilization of male SC LTP

本节提出对经典模型的重要修正。既往观点认为，NMDAR介导Ca²⁺内流后，启动钙蛋白酶（calpain）及相关重塑机制，从而促使AMPAR进入扩大的突触后区并由细胞骨架稳定。新结果表明，若用竞争性拮抗剂阻断谷氨酸与NMDAR结合，则TBS诱导的肌动蛋白信号与LTP均消失；但若用通道阻断剂MK801抑制NMDAR离子流，则虽然LTP被阻断，树突棘F-actin增加却依然存在。说明NMDAR存在非离子通量依赖的代谢型（metabotropic）功能，可驱动稳定化所需的结构重塑，而这些结构变化可在缺乏典型LTP表达时发生。

作者进一步指出，在成年雄性大鼠中，GluN2B亚基拮抗剂Ro25-6981可阻断TBS诱导的肌动蛋白调节信号、树突棘F-actin增加和LTP巩固，但不影响最初诱导与短时表达，提示雄性SC-LTP巩固依赖GluN2B介导的代谢型NMDAR信号。

2.4 Evidence for metaplastic modulation of SC LTP: spaced trials effects and synaptic tagging

作者进一步讨论SC系统的元可塑性（metaplasticity）。在初次10次爆发TBS后，若第二次TBS在10–40 min内施加，LTP不会进一步增强；但若间隔约1 h再给予第二次TBS，则LTP幅度可近乎倍增。这提示初始增强后存在一段不应期，而1 h后可解除。单棘谷氨酸高频解笼实验也显示同一树突棘在30–45 min内对再次增强不敏感，60 min后恢复可塑性。

作者将这一现象与β₁整合素的激活-失活循环联系起来：第一次TBS后，整合素与其下游黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）短时不能再次被激活，约1 h后方恢复。此时若阻断整合素，不仅会阻断第二次增强，还会消除第一次增强，提示存在延迟的第二阶段巩固。文中还将这些结果与突触标记与捕获（synaptic tagging and capture，STC）理论并置，指出二者在“延迟稳定化”这一层面具有概念相通性。

3 Distinct forms of SC plasticity

本节说明，即便限于SC系统内部，也并非只有一种LTP。

3.1 Initial stages of TBS-induced SC LTP include overlapping decremental and stable variants

单次10次爆发TBS诱导的SC增强通常在初期出现一段衰减过程，之后进入稳定平台。作者指出，这一时相不能简单理解为单一增强过程的自然下降，更可能包含至少两种时间上重叠的可塑性成分：一种快速衰减，另一种可被巩固为长期稳定LTP。利用3次爆发TBS，研究发现MK801只能部分抑制最早期增强，却显著阻断稍后约90 s内的进一步增长；PKMζ抑制剂ZIP、肌动蛋白聚合抑制剂Latrunculin A以及钙蛋白酶I抑制剂PD150606均可显著削弱早期增长并降低1 h后的LTP幅度。由此可见，短时增强（short-term potentiation，STP）与稳定LTP在机制上并不完全重合，实际记录到的曲线可能是递减型增强与稳定型增强叠加的结果。

3.2 Mechanisms supporting SC LTP differ with induction parameters

作者系统比较不同诱导范式下SC-LTP的机制差异。短TBS高度依赖NMDAR，而延长TBS、重复TBS、HFS或脉冲时序依赖性LTP（spike timing-dependent LTP，t-LTP）则不同程度依赖电压依赖性钙通道（VDCC）、I组代谢型谷氨酸受体（mGluR）及其他信号系统。HFS诱导的SC-LTP可部分表现为释放概率上升，并受内源性大麻素影响；而单次短TBS诱导的稳定LTP不依赖CB1受体。BDNF对TBS-LTP至关重要，但对HFS-LTP并非必需。t-LTP则更明显依赖VDCC、mGluR及星形胶质细胞-内源性大麻素信号，且其突触特异性与经典TBS-LTP并不相同。总体而言，诱导条件决定了被募集的受体系统、信号分子和表达机制。

4 Contributions of sex to the diversity of mechanisms supporting SC LTP

本节强调性别是决定SC-LTP机制异质性的关键因素。

4.1 Females but not males use synaptic estrogen to induce SC LTP

外源性雌二醇（E₂）可增强SC基础传递，并激活与LTP巩固相关的RhoA→ROCK→LIMK→cofilin通路及肌动蛋白聚合。进一步研究发现，抑制芳香化酶会完全阻断雌性、而非雄性小鼠的TBS诱导CA1-LTP，且补充雌激素可恢复该效应，说明雌性依赖局部合成雌激素启动LTP。

机制上，雌性SC-LTP依赖膜性雌激素受体α（ERα），而非ERβ或GPER1。ERα拮抗可选择性破坏雌性TBS诱导的TrkB、FAK及肌动蛋白调节级联通路激活，但不明显影响theta爆发反应本身。尽管雌雄在下游巩固机制上均依赖整合素、RhoA、BDNF与F-actin重塑，雌性在启动这些过程前必须先经过局部雌激素/ERα信号步骤。该差异也与功能表现相联系：近阈值TBS可在雄性诱导稳健LTP，却难以在雌性产生同等效应，对应行为上雄性在“where”维度情景样记忆中更具优势。

4.2 Sex differences in metabotropic NMDAR contributions to SC LTP

作者进一步指出，雌性的雌激素机制并非仅在雄性机制基础上附加，而是替代了雄性所依赖的代谢型NMDAR功能。在雄性中，GluN2B拮抗剂Ro25-6981可显著阻断TBS诱导的F-actin增加和稳定LTP；而在雌性中，该拮抗剂对相同指标无明显影响，雌性相应过程改由ERα驱动。该结果意味着雌雄在把突触活动转化为结构性巩固的关键步骤上，分别采取不同的受体耦联策略。作者结合行为研究指出，除“where”外，雌性在“what”和“when”任务中保留更优，且情境依赖性低于雄性，提示这些可塑性机制差异可能塑造不同的情景记忆编码特征。

5 Perforant path LTP

本节转向DG穿通路，展示与SC系统截然不同的LTP形式。

5.1 Lateral perforant path (LPP) LTP entails an endocannabinoid-dependent increase in neurotransmitter release and reflects microglial function

LPP来源于外侧内嗅皮层，支配DG外分子层及CA3远端树突。与SC-LTP不同，LPP-DG LTP虽由突触后NMDAR激活和Ca²⁺升高触发，但其表达位于突触前，表现为递质释放概率增加。证据包括NMDAR/AMPAR比值不变而成对脉冲易化下降。其关键逆行信使是2-花生四烯酰甘油（2-arachidonoylglycerol，2-AG）：阻断CB1受体、抑制I组mGluR或在突触后颗粒细胞内缓冲Ca²⁺均可抑制LPP-LTP，而增加2-AG水平则可增强LTP。该过程还依赖突触前β₁整合素与肌动蛋白骨架重塑，形成一种“突触后触发、突触前表达”的特殊增强模式。

更具特色的是，LPP-DG LTP依赖小胶质细胞功能。成年期以CSF1R拮抗剂PLX5622耗竭小胶质细胞，可选择性严重损害LPP-DG LTP，而不影响SC或内侧穿通路（medial perforant path，MPP）LTP，进一步凸显其机制独特性。

5.2 The medial perforant path LTP mechanisms are distinct

MPP起源于内侧内嗅皮层，终止于DG中分子层与CA3相关层。现有证据表明，MPP-DG LTP主要表现为突触后型增强，不依赖内源性大麻素信号。其诱导依赖NMDAR和颗粒细胞内Ca²⁺升高，表达涉及AMPAR结合和GluR1膜插入增加，并伴随cofilin、ERK1/2与FAK磷酸化升高及肌动蛋白重塑，在这些方面与SC-LTP相似。

但MPP-LTP并不等同于SC-LTP。其对CaMKII和ERK1/2的单独抑制不如SC敏感，且有证据提示其表达部分涉及含GluN2D亚基的NMDAR从突触周区向活性区转位，从而增加NMDAR电流。此外，BDNF在MPP中的作用更偏向持续维持：清除BDNF可在LTP建立数小时后诱发去增强，提示BDNF-MNK相关蛋白翻译对该系统的长期维持尤为关键。

6 Discussion

讨论部分综合全文，强调海马并不存在单一“标准型”LTP，而是包含多种在诱导位点、表达方式、受体依赖性、性别需求及脑区分布上均不同的增强模式。作者提出，这种多样性可能有两种解释：其一，不同LTP形式适应不同类型记忆编码与任务需求；其二，这种差异并非直接为记忆而进化，而是受限于各海马节点既有的信号处理、频率滤波、增益放大和回响特性。文中还结合发育、稀疏编码、学习相关突触标记及网络建模，论证TBS诱导CA1-LTP具有作为记忆基质的充分合理性。

最后，作者指出LTP机制差异不仅影响认知功能，也决定神经损伤脆弱性。青春期四氢大麻酚（tetrahydrocannabinol，THC）暴露可选择性破坏雌性的SC-LTP与雌激素相关信号，同时在两性中损害依赖小胶质细胞的LPP-DG LTP，并伴随情景记忆缺陷。由此，性别特异性与区域特异性的LTP机制差异，可能共同决定海马环路对药物暴露及神经病理打击的反应方式。