综述：轴突起始段可塑性在神经环路功能与记忆形成中的作用

《Current Opinion in Physiology》：Axon initial segment plasticity in neuronal circuit function and memory formation

　　

轴突起始段（axon initial segment, AIS）是动作电位起始的部位，也是突触整合的最终站点。自Grubb与Burrone以及Kuba等人的开创性发现揭示AIS长度与位置可发生动态改变以来，大量研究探讨了AIS结构性可塑性，尤其聚焦于神经元活动的稳态维持及疾病状态。近期进展开始阐明AIS在神经环路功能以及学习与记忆中的作用，为理解健康与疾病状态下适应性神经元动态和行为中的AIS可塑性开辟了新途径。

轴突起始段可塑性

轴突起始段的结构可塑性最早由两篇开创性论文描述，其揭示AIS长度与位置可依据神经元输入与活动模式发生改变。在雏鸡中，Kuba等人证实耳蜗切除后，听觉脑干神经元突触输入的缺失导致其AIS伸长，并伴有兴奋性增高。另一并行研究中，Grubb与Burrone发现培养神经元在兴奋性挑战下，AIS位置发生动态变化：初始段向近端轴突更远侧移位导致神经元兴奋性降低。两项研究均改变了受影响神经元的输入—输出函数，使AIS成为神经元可塑性的位点，尤其在稳态调节背景下。这些初期研究开拓了新领域，引发了大量关于AIS可塑性及其细胞机制、单细胞与神经网络功能的研究。此外，AIS长度与位置通过轴向电阻及AIS与胞体的电隔离作用影响动作电位阈值。尽管在生理与病理状态下AIS结构、功能及可塑性的机制理解已取得诸多进展，目前文献中AIS可塑性主要被确立为神经元兴奋性的稳态控制机制，而其在适应性神经环路功能、记忆形成与行为中的作用仍知之甚少。如图1所示，AIS（绿色）结构与位置可响应神经元活动、环境及疾病挑战发生可塑性变化；AIS长度与位置改变引起神经元兴奋性与输入—输出功能变化，目前尚不清楚AIS可塑性是否可作为记忆形成的广泛神经元相关物。

轴突起始段可塑性可快速发生

动物通过神经环路计算的灵活适应（如神经元间突触强度改变）学习应对环境变化。经典地，突触增强与抑制被用作学习记忆的神经元相关指标，且可发生于短时程。此外，神经元兴奋性改变被广泛视为习得行为与记忆分配的相关物，其机制常由离子通道功能改变驱动。然而，AIS可能在学习与记忆巩固的兴奋性可塑性中发挥重要附加作用。为参与适应性神经元计算，AIS需能在特定神经环路与细胞类型中动态改变结构与功能。过去二十年的研究表明，AIS可塑性极为广泛、快速且多样。

例如，类似Kuba等在雏鸡中的初期工作，幼鼠与成年小鼠桶状皮层经连续数天至数周常规触须修剪造成长期感觉剥夺后，AIS长度增加，伴神经元兴奋性升高。相反，小鼠鼻孔可逆性感觉剥夺24小时，嗅球含轴突多巴胺能中间神经元的AIS缩短，兴奋性降低。然而，已有研究证明培养神经元与急性脑切片中AIS可塑性可在数小时内发生。体内研究亦显示，穿通通路电刺激2小时诱导齿状回颗粒细胞长时程增强时，同步伴随同神经元AIS长度减少，表明AIS可塑性可发生于快时间尺度（需注意不同AIS组分移位可不同步，如Na_v通道位移可早于AnkG移位）。

重要的是，快速AIS可塑性亦可发生于自然感觉刺激中。小鼠暴露于丰富环境因而接受更强且任意的触须刺激时，桶状皮层神经元AIS长度与兴奋性在 novel 感觉环境自由探索1小时后即发生改变。这种体内AIS长度的快速变化是重要的例证，证明AIS可塑性可超越还原论模型与细胞培养，发生于动物行为的自然场景中。

AIS移位有多快？近期一项引人注目的研究在小鼠海马急性脑切片中发现，CA1神经元AIS长度与位置可在数分钟内因诱导周期性兴奋性增高继以突触长时程抑制的刺激方案而快速改变。这些数据表明CA1锥体神经元存在数分钟内发生的AIS可塑性，且依赖于突触与胞体并发活动及NMDA受体激活，类似于经典突触学习机制与谷氨酸依赖性内在兴奋性改变。另一并行研究中，视觉皮层锥体神经元数分钟内发生星形胶质细胞依赖的快速AIS可塑性。有趣的是，AIS可塑性改变依赖于星形胶质细胞活性，而后者近期被证明确关联合忆学习。这些研究进一步提供重要证据，提示AIS可塑性可能与体内神经环路快速适应性学习及记忆相关。

轴突起始段可塑性在学习、记忆与认知中的作用

尽管AIS可塑性在稳态控制与疾病状态中作用显著，迄今其在记忆形成中的研究甚少。情境恐惧条件反射期间，海马抑制性中间神经元已观察到AIS起始距胞体距离改变及长度延长。海马GABA能中间神经元AIS延长可能强化抑制以稀疏化网络活动，从而产生更精确的记忆印迹。同样，海马肝素酶注射影响细胞膜与细胞外基质硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，导致CA1锥体神经元远端AIS的AnkG表达减少，伴情境恐惧记忆学习受损，强调细胞外基质可能参与AIS稳定与神经元功能。除海马，大鼠脊髓运动神经元操作式条件反射范式中也观察到学习依赖性AIS长度改变。这些发现得到新型发育相关性AnkG突变敲入小鼠的支持：该系运动皮层AIS发育不全且成年缺乏结构可塑性，伴运动与社会行为缺陷。

轴突起始段的抑制性突触影响其结构。前额叶皮层神经元慢性减少轴—轴突触抑制输入后，AIS长度缩短以稳态代偿抑制驱动不足，重平衡前额叶主神经元兴奋性；而抑制驱动增强则致AIS延长与兴奋性增高。这表明主神经元AIS可响应抑制网络状态改变长度，并与前额叶异常抑制诱导的社会行为效应相关。

迄今，学习、记忆与认知功能相关的AIS结构改变证据多为间接，AIS可塑性通常关联网络稳态、疾病状态、发育障碍或创伤性脑损伤。与树突棘可塑性研究类似，验证因果的直接设计困难，需更广泛研究与技术进展开拓机制与因果实验。不过，新型小鼠系（AnkG-GFP）首次实现活细胞标记AIS，使研究人员可离体活观察及体内经颅窗双光子显微镜或GRIN透镜（杏仁核深位）纵向追踪同一AIS。该品系已用于脑片诱导可塑性方案下AIS长度快速变化研究。

近期工作探究了联合厌恶学习中前额叶皮层环路AIS可塑性动态。该研究通过GRIN透镜双光子成像纵向追踪AnkG-GFP小鼠前额叶皮层听觉恐惧学习与消退范式中的AIS。平均而言，恐惧条件化后腹内侧前额叶神经元AIS较长；但逐日追踪同一AIS揭示长度改变呈多样动态，个别神经元学习时延长或缩短。离体分析显示最长与最短AIS关联神经元印迹标记cFOS，提示动态AIS神经元可能属内侧前额叶记忆印迹。cFOS通常关联近期高活动细胞，更易纳入记忆印迹；但内侧前额叶恐惧学习后cFOS阳性细胞兼具长短AIS，cFOS阴性神经元无此现象（图2）。直觉或认为仅长AIS神经元属活跃印迹，未来需揭示神经环路或细胞类型特异性AIS可塑性是否及如何调节前额叶印迹。例如，依输出靶点不同，记忆印迹或可含活动性降低与AIS较短神经元。有趣的是，海马轴突含树突神经元比例受空间学习范式影响并关联cFOS表达，表明不仅AIS结构，轴突起源本身亦可学习范式中可塑。

此外，体内—离体配准法表明内侧前额叶神经元AIS长度体内关联较大Ca²⁺事件，似提示较长AIS致兴奋性增高与爆发式放电增强。但直接同步测量体内跨时程Ca²⁺或神经元活动与AIS长度尚不可能，未来技术发展对解析体内神经元活动与AIS长度关系至关重要。新型红移Ca²⁺传感器为体内学习适应行为研究中结合纵向活动成像与AnkG-GFP小鼠AIS追踪提供途径。同时纵向追踪神经元活动与AIS结构将可检验记忆形成中AIS可塑性是原因抑或学习依赖性神经元活动可塑性的稳态反应。

结论与下一步

自2010年首次发现以来，AIS结构可塑性作为适应性稳态机制日益受关注，辅以经典内在可塑性形式。此外，多种疾病（癫痫、痴呆、Angelman综合征、孤独症谱系障碍）中均发现AIS结构、位置与可塑性改变。

目前对特定神经环路中AIS可塑性了解甚少。可推测学习依赖性AIS可塑性对功能界定神经环路具选择性。孤独症谱系障碍动物模型中，前额叶至伏隔核、外侧缰核、中缝背核投射神经元AIS选择性受累，邻位他靶神经元则否。虽未证明学习记忆中AIS可塑性可环路差异产生，未来工作须检验其是否贡献适应性行为的环路特异性改变。另须阐明AIS可塑性多样性及其不同细胞类型的可能差异诱导机制。

研究已关联AIS与cFos表达及记忆印迹形成。cFOS相关AIS长度改变可调谐记忆集群神经元活动以增减放电，关乎精确印迹功能与分配。AIS长度改变或为记忆印迹标志，未来应探究不同脑区与行为范式大尺度AIS长度改变。全脑印迹追踪新技术与膨胀光片显微大组织切片后AI辅助海量AIS示踪，或成关联AIS可塑与印迹形成的有价工具。

机制层面，近期证示CA1锥体神经元AIS快速可塑性依赖NMDA受体，且很可能需突触输入与胞体去极化巧合检测，提示AIS可塑性或机制性参与经典学习记忆场景，类同树突棘可塑性。

新型自由活动双光子成像、神经技术与AI兴起，将允许在生态相关学习范式与进展性疾病中纵向检验AIS可塑与多样性。结合CRISPR/Cas9筛选AIS可塑性机制调节因子，对检验因果及未来转化设定中靶向调控AIS可塑性至关重要。