: CA3锥体神经元中不同类型的树突Ca2+ spikes与导航期间神经元活动变化相关

《SCIENCE ADVANCES》：Distinct types of dendritic Ca2+ spikes in CA3 pyramidal neurons associated with neuronal activity changes during navigation

　　

活跃树突通过执行非线性输入整合（包括产生树突spikes）来丰富单神经元计算。在体外，不同皮层神经元类别中已发现多种树突spike类型；然而，它们在体内的普遍性和作用仍不明确。研究人员在虚拟导航过程中测量了小鼠海马CA3区锥体细胞（CA3PCs）顶树突和胞体的钙活动。尽管树突活动通常与胞体同步，但它们的相关性随树突距离增加而降低。研究人员识别出两种再生性树突活动：慢速、大幅度的全局Ca²⁺事件，代表假定Ca²⁺ plateau；以及快速、具有较大树突-胞体衰减的Ca²⁺事件，代表假定树突起源的Ca²⁺ spikes。Ca²⁺ plateau对空间调谐活动有贡献，但仅偶尔诱导新位置野，表明突触可塑性的条件性诱导。相反，快速Ca²⁺ spikes之后常伴随胞体活动的短暂增加，且无空间调谐，提示兴奋性输入或兴奋性增加。研究人员的结果揭示了树突活动在体内塑造CA3PCs输出的先前未识别的机制。

**论文解读：CA3锥体神经元中不同类型树突Ca²⁺ spikes在导航期间与神经元活动变化相关的功能角色**

**研究背景与问题**

海马锥体细胞（PCs）的特征选择性发放（如空间导航中环境特异性和位置特异性活动）被认为是海马空间地图和情景记忆的基本基础。长期以来，一个核心目标是理解在特定环境中决定单个海马PCs活动的细胞机制。虽然突触输入和胞体兴奋性被认为是主要因素，但活跃的树突整合也可能有贡献。体外实验表明，PCs具备多方面的树突机制，能够对时空模式化的突触输入进行复杂的非线性处理，包括通过激活树突电压门控离子通道产生再生性树突spikes。在急性切片中，不同类型的树突spikes以区室化和全局形式出现，并以不同方式塑造神经元输出。尽管有这些预测，但过去15年间在行为动物中的体内实验发现，PCs树突局部活动的普遍性和功能作用相对有限。相比之下，研究焦点转向了全局Ca²⁺ plateau，这些plateau在不同PC类型中均可检测到，并被认为在感觉感知和主动感知等任务中贡献于行为表现。在海马CA1区PCs（CA1PCs）中，研究表明全局树突Ca²⁺ plateau与位置野（PFs）的普遍性和稳定性相关，甚至能在熟悉环境中引发新PFs的突然形成，通过一种非赫布型突触可塑性机制（行为时间尺度突触可塑性，BTSP）。然而，自然Ca²⁺ plateau介导的PF形成的有效性和普遍性仍未完全阐明。此外，在其他海马主细胞类型中进行类似研究至关重要，以确定再生性树突活动的形式、普遍性和功能角色是普遍存在的还是细胞类型或回路特异性的。CA3区PCs（CA3PCs）在形态和电生理特性上与CA1PCs不同，且其回路连接和计算特性也不同。在急性切片中，CA3PCs的树突表现出与CA1PCs定性和定量上的差异，特别是其顶树突干可产生两种不同的Ca²⁺ spike类型：一种由反向传播动作电位（bAPs）激活的慢速类型，可产生长时间的胞体复杂spike burst（CSB）发放；另一种异常快速的混合Ca²⁺/Na⁺ spike类型，起始于远端顶树突，可产生单个动作电位（APs）或短burst。此外，胆碱能调节延长了Ca²⁺ spikes的动力学，促进CSBs。这些体外结果提示了多样的计算可能性，即树突可以塑造神经元输出、修改调谐并支持CA3PCs的可塑性。然而，体内CA3PCs中树突和胞体活动的关系以及不同树突spike类型对调谐属性可塑性的影响在很大程度上仍未探索。

**研究方法**

研究人员采用了两光子（2P）钙成像技术，在小鼠进行虚拟导航任务时，准同步记录表达GCaMP8s的CA3PCs顶树突和胞体中的Ca²⁺活动。关键技术方法包括：1）通过腺相关病毒（AAV）在背侧海马CA3a区表达高灵敏度遗传编码Ca²⁺指示剂GCaMP8s；2）植入成像套管，切除覆盖的皮层，使用2P显微镜进行体内成像；3）开发虚拟现实系统，小鼠在两种不同壁纸的虚拟走廊（VCs）中导航，并在奖励区（RZ）通过舔水获得奖励；4）利用稀疏标记和结构-功能匹配识别单个神经元的胞体和树突区域；5）通过事件检测、振幅相关性分析、动力学分析和空间调谐分析，区分不同类型的树突Ca²⁺事件。样本来源：FVB/AntJ小鼠（AAV介导GCaMP8s表达）和Thy1-GCaMP6s转基因小鼠（C57BL/6J背景）。

**研究结果**

**1. 虚拟导航期间CA3a区PCs的Ca²⁺成像**
研究人员开发了目标导向导航行为范式，训练小鼠在虚拟现实系统中运行。通过行为评分评估学习过程。使用GCaMP8s表达了CA3PCs，在适度至密集标记的小鼠中，活跃细胞（≥5个Ca²⁺事件/10分钟）占成像细胞的可变比例（平均28.3%），其中一部分（34.6%）表现出空间调谐活动。这些结果与以往研究一致，表明CA3PCs表现出稀疏的空间调谐活动。

**2. 胞体和顶树突活动的距离依赖性相关性**
研究人员利用CA3远端区PCs近乎水平的方向，同时成像胞体和多个树突节段。结果表明，胞体与树突的Ca²⁺事件振幅总体呈正相关，但相关性随树突距离增加而降低（Spearman R = -0.498, P < 0.001）。近端树突（<100 μm）与胞体高度耦合，而远端树突具有更大独立性，可能反映局部再生性spikes的起始。树突/胞体振幅比（AR）在远端树突中大部分事件<1，但部分事件具有大幅值，提示树突起源。

**3. 慢速全局Ca²⁺ plateaus贡献于空间调谐但很少诱导新PF形成**
基于振幅和动力学标准，研究人员识别出慢速、大振幅、全局出现的Ca²⁺事件，称为假定Ca²⁺ plateaus（半宽约5.6秒）。这些事件在树突中广泛传播，与体外描述的特征一致。Ca²⁺ plateaus发生在各种空间位置，但常在RZ起始处。尽管plateau后胞体活动在短时间内增加，但平均而言，在2分钟内无持续差异。在63个plateau事件中，只有3个（约5%）诱导了新的PF形成（通过BTSP机制），且新PF的质心位置无系统性偏移，符合CA3 BTSP的对称性时间核。此外，多次发生但未立即改变活动的plateau可产生统计上显著但不可靠的空间调谐。

**4. 快速树突起始spikes后伴随神经元活动的短暂增加**
研究人员识别出另一类Ca²⁺事件：在远端顶树突中振幅较大但胞体振幅较小（AR≥2），且动力学快速（半宽<0.72秒），称为快速树突起始（fDI）Ca²⁺ spikes。这些事件通常只在部分树突树中检测到，但能传播至胞体并诱发APs。fDI spikes发生在各种空间位置，常在RZ起始处和较低速度时。令人惊讶的是，fDI spikes后常伴随数秒至约2分钟的胞体活动增加，尤其是慢速大Ca²⁺事件。然而，这种增加的活动是无空间调谐的，无论事件所在区域还是其他区域，甚至在其他走廊中均增加。fDI spikes诱导的活动增加在区域内和区域外无差异，与Ca²⁺ plateaus不同。

**讨论与结论**

研究的主要发现包括：1）首次在体内同时测量CA3PCs的胞体和顶树突活动，证明了距离依赖性的共活动，近端高度耦合，远端具有更大独立性。2）支持了两种不同类型顶树突Ca²⁺ spikes的体内发生和功能相关性，其特征与体外结果一致。3）评估了全局Ca²⁺ plateaus在CA3PCs中诱导新PF形成的效率，发现概率很低（约5%），提示可能需要额外的门控因子（如神经调节）。4）发现fDI Ca²⁺ spikes后常伴随神经元活动的短暂增加，但无空间调谐，可能涉及输入增加或内在可塑性，而非突触特异性可塑性。结论：研究结果揭示了CA3PCs中树突功能的多重组织：在树突与胞体活动紧密耦合的背景下，树突树能够产生具有不同特性和功能角色的多种树突spike类型，这些可能丰富CA3PCs生成环境特异性空间表征的灵活性。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。