《Advanced Science》：Early Spatial and Contextual Coding Deficits in Hippocampal CA1 Precede Performance Decline in an Alzheimer's Disease Model
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阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）以进行性记忆衰退为特征，然而海马表征在AD早期阶段如何变化仍 largely 未知。在本研究中，研究人员利用真实世界头固定空间交替任务结合在体双光子成像（in vivo two-photon ima
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）以进行性记忆衰退为特征，然而海马表征在AD早期阶段如何变化仍 largely 未知。在本研究中，研究人员利用真实世界头固定空间交替任务结合在体双光子成像（in vivo two-photon imaging），探究5xFAD小鼠海马CA1区表征。尽管7–9月龄5xFAD小鼠在任务学习中表现出显著缺陷，2–4月龄小鼠行为表现正常，从而能够在行为衰退之前评估海马编码。在此早期阶段，CA1神经元表现出完整的全局空间编码，但任务相关位置细胞（place cell）表征受损。情境表征通过轨迹依赖编码（trajectory-dependent coding）揭示，在群体和单细胞水平均减弱，并伴随行为选择期间回顾性主导（retrospective dominance）降低和前瞻性权重（prospective weighting）增加。在任务学习过程中，纵向不稳定的位置细胞在空间编码上表现出更大的损伤，而稳定位置细胞在早期AD小鼠中 largely 保持完整。此外，化学遗传激活基底前脑胆碱能神经元（basal forebrain cholinergic neurons）增加了空间信息（spatial information）和 session 内稳定性，并促进了这些早期阶段5xFAD小鼠的轨迹依赖编码。综上，这些发现揭示了AD中海马任务相关空间与情境表征的选择性早期损伤，这些损伤先于空间交替行为的显著缺陷出现，并仍受胆碱能调节的调控。
研究背景与问题
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是老年人中最常见的痴呆病因，其核心病理特征之一是淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein, APP）的淀粉样加工产生淀粉样-β（amyloid-β, Aβ），触发下游病理生理级联反应，导致突触功能障碍和神经元丢失。空间导航缺陷是AD患者中尤为突出的认知损伤类型，常在轻度认知障碍阶段即已出现，超过60%的AD患者存在空间定向障碍和游走行为。海马CA1区神经元对空间和情景记忆形成至关重要，在AD患者和小鼠模型中均表现出形态和突触可塑性异常。
海马位置细胞（place cell）是支持空间导航和记忆形成的核心神经基础，已有多个AD小鼠模型报道了位置细胞功能受损。然而，既往证据大多来自疾病后期阶段，或采用探索性范式而非行为要求较高的任务。近期纵向钙成像研究发现，5xFAD小鼠在物体位置记忆缺陷出现之前的早期疾病阶段（4–5月龄），CA1空间表征已变得不可靠，但早期AD如何在同一个正在进行的目标导向任务中影响任务相关空间和情境表征仍不清楚。此外，分裂细胞（splitter cell）编码轨迹依赖的情境信息，整合回顾性和前瞻性信息以支持灵活导航，但AD中分裂细胞活动如何受到影响鲜有报道。鉴于Aβ相关突触变化损害海马学习，且分裂细胞活动的出现可由快速突触可塑性驱动，轨迹依赖情境编码可能在疾病早期尤为脆弱。因此，研究人员开发了真实世界头固定连续Phi-maze交替任务，结合双光子钙成像，在5xFAD小鼠中研究同一行为框架内的空间和轨迹依赖情境表征。
研究技术与方法
研究人员采用了自主研发的真实世界头固定连续Phi-maze空间交替任务，小鼠需要在空气悬浮的真实迷宫中根据前一试次的选择进行交替以获得液体奖励。该任务结合在体双光子钙成像技术，对背侧海马CA1锥体神经元表达的jGCaMP7s钙指示剂进行记录。研究使用了5xFAD小鼠模型，通过与C57BL/6J野生型或Chat-IRES-Cre小鼠杂交获得实验动物，并设置青年组（2–4月龄，对照n=10，5xFAD n=7）和老龄组（大于7月龄，对照n=6，5xFAD n=6）。化学遗传实验采用AAV-hSyn-DIO-hM3D(Gq)-mCherry注射至内侧隔区（medial septum）选择性激活胆碱能神经元，并在CA1区表达jGCaMP7s进行成像。研究还使用了MOAB-2抗体染色和Methoxy-X04标记评估Aβ病理。数据分析包括Skaggs空间信息计算、位置细胞鉴定、群体向量相关性分析、轨迹线性化、分裂细胞鉴定、回顾-前瞻偏差指数计算等多种定量方法。
主要研究结果
2.1 年轻5xFAD小鼠空间学习和全局CA1空间编码保留，随年龄增长受损
研究人员开发了头固定小鼠空间交替任务范式，小鼠需在真实空气悬浮Phi-maze中根据前一试次的选择交替进入对侧臂获得奖励。Aβ染色显示5xFAD小鼠海马Aβ阳性面积从3.5月龄到7.5月龄显著增加。行为学结果显示，年轻5xFAD小鼠与对照表现相当，而老龄5xFAD小鼠表现出显著学习损伤。在神经元层面，年轻5xFAD小鼠CA1神经元全局空间信息与对照相当，位置细胞比例无明显降低；而老龄5xFAD小鼠全局空间信息显著降低，位置细胞比例显著减少。这表明年轻5xFAD小鼠在Phi-maze交替任务中保留正常空间学习和整体CA1空间编码，老龄5xFAD小鼠行为和神经表征均显著受损。
2.2 年轻5xFAD小鼠任务相关CA1位置细胞编码受损
鉴于早期AD阶段对识别初始环路破坏和指导早期干预至关重要，研究人员聚焦年轻5xFAD小鼠，从正确试次中提取一维空间活动图以评估任务相关空间表征。成像期间行为表现和运动无差异，体细胞钙瞬变衰减动力学在两组间也相当。年轻5xFAD小鼠位置细胞空间信息呈降低趋势（p=0.056），场峰值活动显著降低，选择性呈降低趋势。群体水平上，奇偶试次群体向量相关性显著降低；单细胞水平上，session内调谐曲线稳定性显著降低。逐试次分析发现，5xFAD小鼠在试次1–5和试次15后调谐相关性显著降低，而中间阶段无显著差异。这表明尽管行为表现保留，年轻5xFAD小鼠任务相关CA1空间表征已受损。
2.3 年轻5xFAD小鼠中纵向稳定的CA1位置细胞在学习过程中大体保留
研究人员在任务获得的三个阶段（第6天、第8天、第10天后）追踪了相同CA1神经元群体，定义了在所有三个阶段均具有位置野且相邻阶段调谐曲线相关性超过阈值（>0.51）的纵向稳定位置细胞。稳定位置细胞占所有记录细胞的比例以及占所有位置细胞的比例在两组间均无差异。纵向稳定位置细胞的阶段间调谐曲线相关性保持不变，其空间信息、场选择性、场峰值活动和session内稳定性大多保留（仅阶段2的session内稳定性轻微降低）。相反，跨阶段不稳定的位置细胞在5xFAD小鼠中表现出空间信息降低、session内调谐稳定性降低、阶段1场选择性降低及跨阶段场峰值活动降低。这表明年轻5xFAD小鼠的任务相关空间编码损伤并非均匀分布，纵向稳定位置细胞编码特性基本保留，而不稳定位置细胞缺陷更为突出。
2.4 年轻5xFAD小鼠轨迹依赖情境编码减弱
研究人员进一步检查了轨迹依赖情境编码，聚焦于分裂细胞——即在共同茎臂上根据不同轨迹方向差异性活动的细胞。5xFAD小鼠高比率轨迹上的空间调谐活动显著降低，个体茎臂空间箱表现显著分裂活动的概率降低，群体水平上线性判别分析解码器的轨迹解码准确率显著降低。分裂细胞比例显著降低。分裂质量指标方面，活动分裂试次比率显著降低，分裂活动出现的首试次显著延后，高比率轨迹的逐试次空间可靠性降低；而分裂范围和分裂判别性无显著差异。交替行为准确率与分裂细胞比例、分裂范围和分裂判别性呈正相关。非分裂茎位置细胞的比例和逐试次空间可靠性未显著降低，表明这是轨迹依赖情境编码的选择性损伤而非茎臂空间编码的普遍缺陷。
2.5 年轻5xFAD小鼠轨迹依赖情境编码模式重组
研究人员采用基于相异度分析的回顾-前瞻偏差指数，利用错误试次区分回顾性和前瞻性轨迹信息编码。对照小鼠分裂细胞表现出强回顾性偏差，而年轻5xFAD小鼠回顾性成分减少、前瞻性成分增加，导致Retro-Pro偏差指数显著升高（β=0.13, p<0.001），表明回顾性主导降低和前瞻性权重增加。空间分布上，对照小鼠仅在接近选择点时逐渐转向前瞻编码，5xFAD小鼠则在更早的茎臂位置就出现回顾性偏差降低。5xFAD小鼠在正确和错误试次中茎臂穿行时间更长，且错误概率随茎臂时间增加而上升的斜率更大。
2.6 内侧隔区胆碱能激活改善年轻5xFAD小鼠CA1编码
研究人员通过AAV-hSyn-DIO-hM3D(Gq)-mCherry注射至内侧隔区选择性激活胆碱能神经元，并在任务获得后给予CNO进行化学遗传激活。CNO不改变行为交替表现或运动。追踪相同神经元群体发现，CNO给药后对照和5xFAD小鼠的全局空间信息均增加，正确试次中位置细胞空间信息均增加。5xFAD小鼠位置细胞session内稳定性增加，对照无显著变化。然而场峰值活动在CNO后仍降低，场选择性无显著改变。茎位置细胞的活动分裂试次比率在5xFAD小鼠中显著增加，分裂活动首次出现呈提前趋势，对照无变化。分裂范围、逐试次可靠性和分裂判别性无显著改变。这表明内侧隔区胆碱能激活增强了空间信息和session内调谐稳定性，增加了轨迹依赖活动的试次发生率，但效应是选择性的而非全局性的。
讨论与结论
研究表明，年轻5xFAD小鼠在行为表现正常时已存在任务相关空间表征受损，其中跨学习阶段不稳定位置细胞更为脆弱，而稳定位置细胞保持完整，这可能有助于维持熟悉环境中重复训练的表征连续性。轨迹依赖情境编码在群体和单细胞水平均减弱且回顾-前瞻平衡发生重组。基底前脑胆碱能激活可部分改善早期CA1编码缺陷。这些发现揭示了从相对保留的广泛空间编码到受损的任务相关空间表征的进展过程，不稳定位置细胞更易受损，轨迹依赖情境编码选择性减弱和重组。这些早期异常先于空间交替行为表现的显著衰退出现，且部分可受胆碱能调节。
研究结论：在5xFAD小鼠模型中，海马CA1区任务相关空间和情境表征的选择性早期损伤先于空间交替行为的显著缺陷出现，纵向不稳定位置细胞是主要受累群体，而稳定位置细胞基本保留，且这些早期编码异常仍可通过基底前脑胆碱能神经元激活进行部分调节，为AD早期干预提供了潜在的神经调控靶点。
