2024年5月31日美國芝加哥大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)研究所Christian Hansel團(tuán)隊(duì)在Nature communications發(fā)表“Intrinsic and synaptic determinants of receptive field plasticity in Purkinje cells of the mouse cerebellum”，揭示了小鼠小腦浦肯野細(xì)胞感受野可塑性的內(nèi)在和突觸決定因素。

感受野，感受器受刺激興奮時(shí)，通過感受器官中的向心神經(jīng)元將神經(jīng)沖動(dòng)（各種感覺信息）傳到上位中樞，一個(gè)神經(jīng)元所反應(yīng)（支配）的刺激區(qū)域就叫做神經(jīng)元的感受野（receptive field）。膜興奮性的非突觸（內(nèi)在）可塑性有助于記憶形成，但目前尚不清楚它是僅僅促進(jìn)了突觸的長期增強(qiáng)，還是在決定突觸重量增加的影響方面發(fā)揮作用。在小腦浦肯野細(xì)胞的雙光子鈣成像過程中，作者利用觸覺刺激和平行纖維的電激活來探測在小腦浦肯野細(xì)胞雙光子鈣成像期間清醒小鼠感受野可塑性的內(nèi)在和突觸作用。這兩種刺激的重復(fù)激活誘導(dǎo)的反應(yīng)增強(qiáng)，在突觸或內(nèi)在可塑性選擇性缺陷的小鼠中受損。對(duì)鈣信號(hào)的空間分析表明，內(nèi)在可塑性（而非突觸的可塑性）增強(qiáng)了樹突平行纖維（parallel fiber，PF，小腦皮質(zhì)顆粒層內(nèi)顆粒細(xì)胞的軸突。位于小腦皮質(zhì)分子層內(nèi)，與小腦小葉片縱軸平行。呈丁字形，分為兩支，均沿葉片的縱軸行走，與葉片縱軸平行）反應(yīng)增強(qiáng)的擴(kuò)散。

1. PF刺激引起局部鈣反應(yīng)

為了建立與傳統(tǒng)體外實(shí)驗(yàn)的兼容性，作者開發(fā)了一個(gè)平臺(tái)，能夠?qū)σ皇?PFs施加直接電刺激，這些PFs在與PC樹突的旁矢狀排列正交的內(nèi)側(cè)外側(cè)軸上投射>2毫米。同時(shí)使用雙光子成像監(jiān)測清醒小鼠小腦中鈣信號(hào)相應(yīng)的單細(xì)胞反應(yīng)特性。小鼠被訓(xùn)練在實(shí)驗(yàn)裝置上保持靜止，并將前肢放置在水平桿上，以保持舒適。在實(shí)驗(yàn)過程中，將填充人工腦脊液（ACSF）的玻璃移液管插入5 mm玻璃顱窗中心的透明硅膠入孔為PF軸突束提供細(xì)胞外刺激。在100 Hz下施加8個(gè)脈沖刺激序成功在每個(gè)PC樹突的局部區(qū)域內(nèi)誘發(fā)了鈣反應(yīng)。相比之下，誘發(fā)的PF反應(yīng)明顯局限于受刺激的PF束邊界的局部區(qū)域。在PF響應(yīng)之前、峰值期間和結(jié)束時(shí)，量化的鈣信號(hào)進(jìn)一步顯示了一個(gè)時(shí)間聚焦的局部熒光峰值，在受刺激的PF束輸入?yún)^(qū)域的邊緣有一個(gè)明顯的下降，在亞細(xì)胞尺度上揭示了對(duì)PF 刺激的亞區(qū)鈣反應(yīng)。

2. PF刺激在PC樹突中引發(fā)模擬鈣信號(hào)

作者使用了兩個(gè)已建立的功能喪失模型SK2-KO和CaMKIITT305/6VA小鼠研究內(nèi)在和突觸可塑性如何構(gòu)成各種形式的小腦學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。在這些突觸中，CaMKII促進(jìn)LTD，而大多數(shù)其他類型的谷氨酸能突觸則誘導(dǎo)LTP。TT305/6VA 突變會(huì)阻止CaMKII的抑制性自磷酸化，從而阻止LTP的正確誘導(dǎo)。作者選擇了一個(gè)0-200 ms的響應(yīng)時(shí)間窗，該時(shí)間窗捕獲了刺激序列（0-70 ms）期間的鈣反應(yīng)，并留下足夠的時(shí)間來進(jìn)行反應(yīng)積累。當(dāng)分離反應(yīng)性試驗(yàn)和非反應(yīng)性試驗(yàn)的平均信號(hào)時(shí)，觀察到概率和振幅都與刺激強(qiáng)度有關(guān)?？偟膩碚f，在體內(nèi)觀察到的鈣信號(hào)的刺激強(qiáng)度依賴性與之前的體外和體內(nèi)的研究高度一致。在接下來的實(shí)驗(yàn)中，使用這些PF介導(dǎo)的反應(yīng)來表征PF-PC的突觸可塑性。

3. 觸覺刺激在mPC樹突中引發(fā)模擬鈣信號(hào)

為了在生理?xiàng)l件下獲得高度可重復(fù)的觸覺射頻讀數(shù)，作者使用玻璃毛細(xì)管向動(dòng)物同側(cè)前肢的爪尖吹氣，同時(shí)記錄清醒小鼠PC中相應(yīng)的鈣反應(yīng)。移除運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，并使用溫和的氣流刺激（4-10psi）來避免厭惡反應(yīng)，并降低激活橄欖攀緣纖維（CF）通路的可能性，該通路通常對(duì)觸覺和傷害性輸入敏感。觀察到反應(yīng)試驗(yàn)的強(qiáng)度依賴性增加。通過繪制所有試驗(yàn)的平均鈣信號(hào)還觀察到鈣瞬變的大小隨著刺激強(qiáng)度而增加，盡管這可能歸因于幅度、概率或兩者的變化。分別分析了僅響應(yīng)性試驗(yàn)的平均信號(hào)，并觀察到幅度略有增加。

綜上所述，作者的觀察解釋了為什么在SK2-KO小鼠中，延遲眨眼條件反射受損。在齒狀回中，抑制突觸可塑性會(huì)損害恐懼學(xué)習(xí)，但條件反應(yīng)可以通過光激活印記細(xì)胞來挽救。這一發(fā)現(xiàn)表明，記憶表征需要將突觸輸入傳遞到神經(jīng)元輸出。其中，當(dāng)這些神經(jīng)元在學(xué)習(xí)時(shí)表現(xiàn)出高興奮性時(shí)，它們就會(huì)被分配到記憶印跡中，從而促進(jìn)隨后通過LTP進(jìn)行整合。內(nèi)在可塑性除了具有門控功能外，還具有這種促進(jìn)功能，如果沒有這種門控功能，LTP就不會(huì)對(duì)脈沖輸出產(chǎn)生影響。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48373-3