学习重组背侧海马CA1锥体神经元树突抑制性突触并稳定轴突起始段抑制性突触

《Nature Communications》：Learning reorganizes dendritic and stabilizes axon initial segment inhibitory synapses in CA1 pyramidal neurons

　　

结构突触可塑性（structural synaptic plasticity）是学习与记忆所需脑连接改变的基础。抑制性突触（inhibitory synapses, ISs）靶向兴奋性锥体神经元（pyramidal neurons, PNs）的所有亚细胞区域，包括树突、胞体及轴突起始段（axon initial segment, AIS）。这些亚细胞区域具有独特的分子、结构与生理特征，并决定其功能。抑制性突触的结构可塑性如何支撑这些功能以及记忆等涌现属性，目前很大程度上未知。为解答这些问题，研究人员在小鼠背侧海马CA1区（dorsal hippocampal CA1, dCA1）追踪了锥体神经元基底树突、胞体与轴突起始段上的抑制性突触长达两周。抑制性突触的大小与时间动态表现出强烈的区室化（compartmentalization）。痕迹恐惧条件反射（trace fear conditioning, TFC）导致树突抑制性突触重组，并导致轴突起始段抑制性突触稳定化。最后，数学建模使研究人员能够探究学习后抑制性突触稳定化的潜在机制。

研究背景方面，协调的突触连接改变是大脑学习与回忆能力的根源，既包括兴奋性或抑制性突触（inhibitory synapses, ISs）的增强与减弱，也包括突触形成与消除。抑制性突触靶向兴奋性锥体神经元（pyramidal neurons, PNs）的树突、胞体和轴突起始段（axon initial segment, AIS），这些区域分别承担输入整合与细胞输出功能。不同抑制性中间神经元（interneurons, INs）投射到不同亚细胞区室，并参与海马学习的不同方面，但抑制性突触结构可塑性如何支持这些功能仍不清楚。既往纵向双光子（two-photon, 2P）成像多聚焦新皮层，海马抑制性突触长期结构动态几乎未被研究，因此存在明显知识空白。

本研究由研究人员在《Nature Communications》发表，旨在标记并长期追踪小鼠背侧海马CA1（dorsal CA1, dCA1）锥体神经元不同亚细胞区室的抑制性突触，并在痕迹恐惧条件反射这一海马依赖任务下观察其变化，再用数学模型探究轴突起始段投射中间神经元的作用。研究结论为：抑制性突触大小与时空动态高度区室化；学习引起树突抑制性突触重组与轴突起始段抑制性突触稳定化；轴突起始段投射中间神经元的特异性连接对学习任务诱导的稳定化不可或缺。

主要关键技术方法方面，样本为小鼠队列：一组用腺相关病毒（adeno-associated viruses, AAV）在dCA1表达Cre、tdTomato与Gephyrin-GFP以标记PNs及ISs；另一组用Thy1-GFP小鼠追踪树突棘作为兴奋性突触代理；学习组进行TFC。方法包括深脑2P纵向光学成像、以Gephyrin-GFP puncta面积量化IS大小、以生存与受限平均生存时间（restricted mean survival time, RMST）分析动态、以贝叶斯混合模型比较组间、以强化学习神经网络模型模拟dCA1局部连接与TFC协议。

研究结果如下。Longitudinal tracking of ISs in different subcellular compartments of dCA1 PNs：研究人员用遗传标记与2P成像同时监测基底树突、胞体、AIS的ISs，AIS ISs与Ankyrin G共定位且vGAT共标率超机会水平，证实标记特异性。IS’s area is compartmentalized on dCA1 PNs：Day 1基底树突IS面积显著小于胞体与AIS，IS面积分布非高斯且偏斜，尺寸模式在13天内保持区室化，树突顺序（dendritic order, DO）3的IS小于DO1。Long-term dynamics of ISs are compartmentalized on dCA1 PNs：各区间均有IS获得与丢失，但每神经元IS总数无显著漂移；胞体IS稳定性最低、消失最快，新生IS比既有IS更短寿，持续IS空间位置在各区室同样稳定。Longitudinal tracking of dendritic spines as proxies for excitatory synapses：Thy1-GFP小鼠基底树突棘体积非高斯，体积序位中等一致，Day 13棘数显著增加，新生棘不如旧棘稳定。Stability of dendritic ISs and spines：Day 1树突IS与棘生存无差异，但新生树突IS显著不如新生棘稳定。Differential relationship between size and stability：长寿命树突棘更大且存活更久；AIS IS长寿命者更大，树突与胞体IS无此关系；DO比大小更能预测树突IS稳定性。Learning changes IS dynamics in dCA1：TFC后树突IS更新率升高且生存下降，胞体IS无显著变化，AIS IS更新率下降且趋于稳定；树突棘虽有更新率下降但存在基线漂移，不能单独归因学习。Computational modeling to investigate the role of AIS-projecting INs：模型复现基线区室化与TFC后树突失稳、AIS稳定；改变AIS投射中间神经元数目、比例、连接域或将其去除/改为兴奋，均损害基线AIS IS稳定性并阻止TFC诱导的AIS IS稳定化，说明AIS专用抑制通路是学习后稳定化的关键。

讨论部分总结：研究人员指出海马IS结构可塑性长期被忽视，本工作显示大小与动态均区室化，树突IS可能由Ivy细胞等维持空间一致抑制图，胞体IS高更新因冗余连接而不破坏群体同步，AIS IS表观稳定可能来自簇状突触。新生树突IS比新生棘更不稳定，与新皮层结论不同，海马旧IS与棘稳定性相似。

结论部分翻译：在dCA1 PNs不同亚细胞区室纵向追踪ISs显示，IS大小与时空动态强区室化；TFC导致树突IS重组与AIS IS稳定化；数学模型表明AIS投射IN的专门特性是学习诱导AIS IS稳定化的机制基础。结构抑制可塑性因而以区室特异方式支持海马依赖记忆。