海马齿状回颗粒细胞中的异突触NMDA受体可塑性

《Frontiers in Synaptic Neuroscience》：Heterosynaptic NMDA receptor plasticity in hippocampal dentate granule cells

　　

齿状回是控制信息从内嗅皮层到海马体传输的关键中继站。这个过程依赖于齿状回颗粒细胞（GCs）对来自内侧和外侧内嗅皮层通过内侧和外侧穿通通路（MPP和LPP）的兴奋性突触输入的树突整合。来自内嗅皮层到GCs的输入表现出活动依赖性的N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）介导的突触传递的长期可塑性。然而，这种可塑性的特性、潜在机制和输入特异性仍然知之甚少。在这里，研究人员使用生理相关的刺激模式在大鼠和小鼠的急性海马切片中检查了MPP-GC和LPP-GC突触的NMDAR可塑性规则。与MPP-GC突触不同，LPP-GC突触不表达同突触NMDAR-LTP。此外，在MPP-GC突触诱导NMDAR-LTP可增强远端LPP-GC突触的NMDAR传递。相同的刺激方案在MPP-GC突触诱导同突触α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸受体（AMPAR）-LTP，但在远端LPP突触诱导异突触AMPAR-LTD，表明NMDAR和AMPAR可塑性受不同可塑性规则控制。值得注意的是，异突触而非同突触NMDAR-LTP需要从细胞内、ryanodine受体（RyR）依赖的Ca²⁺库释放Ca²⁺。最后，从GCs中基因删除GluN2D亚基或选择性拮抗含GluN2D的NMDARs消除了异突触LTP。异突触NMDAR介导的LTP可能对齿状回颗粒细胞整合功能不同的兴奋性输入具有重要影响。

**研究背景与问题**
齿状回（dentate gyrus, DG）是海马体（hippocampus）的主要输入区域，其颗粒细胞（granule cells, GCs）接收来自内嗅皮层（entorhinal cortex）的内侧穿通通路（medial perforant path, MPP）和外侧穿通通路（lateral perforant path, LPP）的兴奋性输入，分别传递情境和内容相关信息。这些输入的活动依赖性可塑性是经验依赖性神经环路重塑和记忆形成的关键机制。尽管已知N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR）介导的突触传递可发生长期增强（LTP）和长期抑制（LTD），但大多数研究集中于α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸受体（AMPAR）的可塑性，而NMDAR介导的异突触可塑性尚未被探索。在DG中，MPP-GC突触可表达同突触NMDAR-LTP，但LPP-GC突触是否表达同突触或异突触NMDAR可塑性未知。此外，NMDAR与AMPAR可塑性规则是否不同，以及异突触NMDAR可塑性的机制和功能意义均不清楚。因此，研究人员利用生理相关的爆发时间依赖性可塑性（burst-timing-dependent plasticity, BTDP）诱导方案，系统评估了MPP和LPP输入至GCs的NMDAR可塑性规则、分子机制及其对GC输出的影响。该研究发表在《Frontiers in Synaptic Neuroscience》。

**主要技术方法**
研究人员采用急性海马切片全细胞膜片钳记录技术，样本来源包括Sprague-Dawley大鼠（出生后第19至30天）和C57BL/6小鼠（出生后第30至60天），以及Grin2d条件性敲除小鼠（Grin2d^fl/fl）。关键方法包括：使用BTDP方案（配对突触前6脉冲50 Hz与突触后5脉冲100 Hz，间隔10 ms，重复100次）在MPP或LPP输入上诱导可塑性；结合药理学工具（如mGluR5拮抗剂MPEP、钙螯合剂BAPTA、内质网钙ATP酶抑制剂CPA、ryanodine受体拮抗剂ryanodine、IP3受体拮抗剂heparin、GluN2C/D选择性拮抗剂DQP-1105和QNZ46）以及遗传学策略（通过AAV5.CaMKII.Cre-mCherry注射至Grin2d^fl/fl小鼠DG实现GC特异性GluN2D条件性敲除）。记录时通过隔离NMDAR或AMPAR介导的电流（分别使用NBQX和picrotoxin阻断AMPAR和GABA_A受体，或使用D-APV阻断NMDAR），并监测突触后电流、电位及动作电位发放变化。

**研究结果**
**LPP-GC synapses express robust heterosynaptic NMDAR LTP but heterosynaptic AMPAR LTD**
通过同时记录同一GC的MPP和LPP NMDAR-EPSCs，发现BTDP方案在MPP输入诱导同突触NMDAR-LTP的同时，显著增强了远端LPP输入的NMDAR-EPSC（异突触NMDAR-LTP）。相反，直接刺激LPP输入不诱导任何同突触或异突触NMDAR可塑性。将LPP刺激电极置于MPP刺激电极对侧（>250 μm）以激活不同树突分支时，异突触NMDAR-LTP消失，表明该可塑性依赖于同突触诱导的局部树突信号。在小鼠切片中同样观察到该现象，证明其跨物种保守性。此外，相同BTDP方案在MPP输入诱导同突触AMPAR-LTP，但在LPP输入诱导异突触AMPAR-LTD，表明NMDAR与AMPAR受不同可塑性规则调控。

**Internal Ca²⁺ stores are required for heterosynaptic but not homosynaptic NMDAR-LTP**
使用mGluR5拮抗剂MPEP或细胞内钙螯合剂BAPTA可完全阻断MPP同突触NMDAR-LTP及伴随的LPP异突触NMDAR-LTP，提示两者均依赖mGluR5激活和突触后Ca²⁺升高。进一步，内质网Ca²⁺-ATP酶抑制剂CPA耗竭内钙库后，异突触NMDAR-LTP被消除，但同突触NMDAR-LTP不受影响。ryanodine受体（RyR）拮抗剂ryanodine选择性阻断异突触NMDAR-LTP，而IP3受体拮抗剂heparin无效应，表明异突触可塑性需要RyR介导的Ca²⁺释放，而同突触可塑性不依赖内钙库。

**Heterosynaptic NMDAR-LTP is likely mediated by the synaptic recruitment of GluN2D-containing receptors**
GluN2C/D选择性拮抗剂DQP-1105或QNZ46在诱导前应用可完全阻断异突触NMDAR-LTP，且不影响基础突触传递。诱导后30 min应用这些拮抗剂显著降低LPP NMDAR-EPSC（约85%），提示GluN2D亚基被招募至突触。在Grin2d条件性敲除（GC特异性删除GluN2D）的小鼠中，异突触NMDAR-LTP被完全消除，而对照小鼠正常表达，证实突触后GluN2D是异突触可塑性的必要组分。

**Heterosynaptic NMDAR-LTP enhances synaptically-driven GC output**
电流钳记录显示，在LPP输入施以50 Hz爆发刺激时，异突触NMDAR-LTP诱导后GC动作电位（AP）发放数量显著增加（刺激强度10、20、30 V），且该效应被GluN2D拮抗剂DQP-1105或QNZ46消除，说明异突触NMDAR-LTP通过GluN2D增强LPP驱动的GC输出。

**总结与讨论**
本研究首次发现BTDP在MPP-GC突触诱导的同突触NMDAR-LTP可引发LPP-GC突触的异突触NMDAR-LTP，而LPP本身不表现同突触可塑性。异突触NMDAR-LTP依赖于RyR介导的内钙库释放，并通过GluN2D亚基的突触招募实现，最终增强GC输出。该机制与AMPAR的异突触LTD形成对比，表明NMDAR与AMPAR在DG中具有不同的异突触可塑性规则，可能协同调控GC的树突整合。异突触NMDAR-LTP可能通过促进LPP输入的时间总和，增强信息传递，而AMPAR-LTD则可能降低LPP驱动，形成“胜者通吃”的动力学。结论部分指出：MPP突触的BTDP对远端LPP-GC突触的NMDAR传递施加长期、强大的控制；异突触NMDAR-LTP与AMPAR-LTD的共存提示GC整合的精细调控机制；NMDAR传递的动态变化可能改变可塑性诱导阈值，作为AMPAR可塑性的元可塑性开关。GC Grin2d条件性敲除小鼠的行为缺陷暗示同突触和异突触NMDAR可塑性在海马依赖行为中的作用，但需进一步研究其在清醒动物中的精确贡献。