AMPA受體向小鼠桶狀皮層中記憶相關(guān)神經(jīng)元集合的動(dòng)態(tài)重新分布的研究

2025年7月9日，北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系、IDG麥戈文腦科學(xué)研究所張勇研究員課題組在《Neuron》在線發(fā)表題為“Dynamic redistribution of AMPA receptors toward memory-related neuronal ensembles in mice barrel cortex during sensory learning”的研究論文。本研究用 RAM 系統(tǒng)確定桶狀皮層中與感覺學(xué)習(xí)相關(guān)的神經(jīng)元集合，發(fā)現(xiàn)激活 / 抑制該集合影響動(dòng)物行為，且感覺學(xué)習(xí)會(huì)帶來 L2/3 興奮性神經(jīng)元選擇性激活、相關(guān)神經(jīng)元脊柱結(jié)構(gòu)變化、AMPAR 重新分布及特定神經(jīng)元間連接加強(qiáng)，揭示了學(xué)習(xí)誘導(dǎo)的 AMPAR 向記憶相關(guān)神經(jīng)元集合的重新分布，為理解感官學(xué)習(xí)記憶神經(jīng)機(jī)制提供提示。
 

桶狀皮層中的RAM+神經(jīng)元集合有助于感覺檢測任務(wù)的性能
已知桶狀皮層特定神經(jīng)元群對(duì)感覺學(xué)習(xí)中信息編碼存儲(chǔ)重要，但神經(jīng)元集合適應(yīng)機(jī)制不明。研究讓小鼠做感覺檢測任務(wù)（借 C2 胡須偏轉(zhuǎn)舔水報(bào)告知覺，連續(xù)兩天正確率≥75% 為 “習(xí)得”，需 5-7 天訓(xùn)練），修剪 C2 胡須或注射蠅蕈醇后小鼠表現(xiàn)顯著下降，證明其依賴該感覺信號(hào)且桶狀皮層直接參與感覺學(xué)習(xí)。研究用 RAM 系統(tǒng)標(biāo)記桶狀皮層活躍神經(jīng)元，經(jīng)四組小鼠實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)記憶檢索組 RAM + 神經(jīng)元比例顯著高于腔室暴露組，癲癇發(fā)作組標(biāo)記近飽和，說明 RAM 系統(tǒng)標(biāo)記效率和特異性高。為驗(yàn)證 RAM + 神經(jīng)元集合作用，標(biāo)記后光遺傳學(xué)激活，藍(lán)光可喚起特定神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬�且該組小鼠命中率顯著高于 EGFP 組，進(jìn)一步證實(shí)其作用。

圖1 通過感覺記憶檢索對(duì)桶狀皮層中激活的神經(jīng)元進(jìn)行標(biāo)記

為證學(xué)習(xí)誘導(dǎo)的 RAM 集合特異性，光激活三組標(biāo)記不同神經(jīng)元的小鼠，均未提升舔舐率；僅檢索 ChR2 小鼠中，激活表現(xiàn)與學(xué)習(xí)表現(xiàn)正相關(guān)，表明學(xué)習(xí)相關(guān) RAM + 神經(jīng)元集合激活可引發(fā)相關(guān)舔舐行為。為證其在感覺記憶中的作用，小鼠達(dá)學(xué)習(xí)水平后，用 RAM-hM4D（Gi）標(biāo)記相關(guān)神經(jīng)元，注射 CNO 僅降其放電頻率，且抑制后小鼠檢測性能顯著變差，說明該集合活動(dòng)對(duì)任務(wù)表現(xiàn)影響顯著。

圖2 桶狀皮層中RAM+神經(jīng)元集合的活動(dòng)有助于感覺記憶檢索

感覺學(xué)習(xí)導(dǎo)致桶皮層中的層選擇性激活模式
桶狀皮層分多層且功能不同，研究用 RAM-EGFP 標(biāo)記未訓(xùn)練（胡須偏轉(zhuǎn)）和訓(xùn)練（記憶檢索）組活躍神經(jīng)元。結(jié)果顯示，感覺學(xué)習(xí)后 C2 柱 L2/3、L5 活躍神經(jīng)元更多；訓(xùn)練小鼠 L2/3 興奮性神經(jīng)元占比更高、抑制性神經(jīng)元占比下降，L5 僅 PV + 神經(jīng)元占比降低；訓(xùn)練后 L2/3 RAM + 神經(jīng)元放電頻率高于 RAM−神經(jīng)元，mIPSC 頻率和振幅更低，L5 無此差異，未訓(xùn)練小鼠無相關(guān)差異。綜上，感覺學(xué)習(xí)使桶狀皮層選擇性激活，L2/3 錐體神經(jīng)元是主要目標(biāo)。

圖3 感覺學(xué)習(xí)導(dǎo)致桶皮層中的層選擇性激活模式

感覺學(xué)習(xí)誘導(dǎo)L2/3 RAM+和RAM-神經(jīng)元脊柱結(jié)構(gòu)的明顯變化
已知感覺學(xué)習(xí)可誘導(dǎo)桶狀皮層突觸變化，但活躍神經(jīng)元集合在受體水平的突觸變化不明。研究給 WT 小鼠桶狀皮層注射 AAV-RAM-EGFP 標(biāo)記記憶檢索時(shí)的活躍神經(jīng)元，觀察發(fā)現(xiàn)：感覺學(xué)習(xí)后 L2/3、L5 錐體神經(jīng)元脊柱密度均增加，L5 還伴脊柱頭增大，且 L2/3 RAM + 神經(jīng)元脊柱密度、蘑菇狀刺密度均高于 RAM−神經(jīng)元，L5 無此差異；訓(xùn)練小鼠中 L2/3 RAM + 神經(jīng)元的 mEPSC 頻率和振幅也更高。綜上，感覺學(xué)習(xí)使 L5 兩類神經(jīng)元突觸變化較均勻，L2/3 兩類差異明顯。

圖 4 感覺學(xué)習(xí)誘導(dǎo) L2/3 RAM+ 和 RAM− 神經(jīng)元中明顯的脊柱密度和形態(tài)變化

實(shí)驗(yàn)中，RAM-tagBFP + 與 RAM-EGFP + 神經(jīng)元相關(guān)指標(biāo)無差異，各組基線可比，保證成像質(zhì)量。結(jié)果顯示，感覺訓(xùn)練使桶狀皮層整體脊柱密度顯著增加；訓(xùn)練小鼠 L2/3 RAM + 神經(jīng)元脊柱密度有高于 RAM−神經(jīng)元的趨勢(shì)（無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義），或與低脊柱消除率有關(guān)，且學(xué)習(xí)后其脊柱顯著增大、個(gè)體脊柱大小增加的更多；未經(jīng)訓(xùn)練小鼠 L2/3 兩類神經(jīng)元脊柱相關(guān)指標(biāo)穩(wěn)定且無差異。綜上，感覺學(xué)習(xí)選擇性導(dǎo)致 L2/3 RAM + 神經(jīng)元脊柱結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

圖5 感覺學(xué)習(xí)選擇性地誘導(dǎo)L2/3 RAM+神經(jīng)元的脊柱結(jié)構(gòu)變化

感覺學(xué)習(xí)誘導(dǎo) AMPAR向L2/3RAM+ 神經(jīng)元重新分布
為探索感覺學(xué)習(xí)功能變化，觀察脊柱表面 GluA1（sGluA1）發(fā)現(xiàn)：未訓(xùn)練小鼠 sGluA1 略增，L2/3 兩類神經(jīng)元無差異；訓(xùn)練小鼠中，L2/3 RAM + 神經(jīng)元 sGluA1 顯著高于 RAM−神經(jīng)元，且 sGluA1 增加的脊柱更多、密度更高。雖 L2/3 RAM + 神經(jīng)元 sGluA1 增加，但訓(xùn)練與未訓(xùn)練小鼠總 sGluA1 水平相近；且訓(xùn)練小鼠 L2/3 RAM−神經(jīng)元 sGluA1 降低，表明感覺學(xué)習(xí)未改整體 sGluA1 水平，僅使其向 RAM + 神經(jīng)元重新分布。此外，訓(xùn)練小鼠中 L2/3 RAM + 神經(jīng)元行為表現(xiàn)與 sGluA1 水平正相關(guān)，且其 sGluA1 增加類脊柱比例、RAM−神經(jīng)元 sGluA1 減少類脊柱比例均隨學(xué)習(xí)上升并與表現(xiàn)正相關(guān)，說明兩類神經(jīng)元或均助力感覺學(xué)習(xí)。

圖6 感覺學(xué)習(xí)誘導(dǎo)RAM+和RAM−神經(jīng)元中明顯的脊柱sGluA1變化，這兩種變化都與行為表現(xiàn)相關(guān)

感覺學(xué)習(xí)通過突觸后機(jī)制選擇性地加強(qiáng)L4和L2/3RAM+神經(jīng)元之間的連接
研究發(fā)現(xiàn)感覺學(xué)習(xí)使 L2/3 RAM + 和 RAM−神經(jīng)元突觸變化明顯（RAM + 神經(jīng)元更多棘 sGluA1 增加），但電路層面變化不明。因 L2/3 神經(jīng)元主要接收 L4 輸入，故研究 L4-L2/3 突觸：刺激 L4 記錄發(fā)現(xiàn)，RAM−神經(jīng)元突觸有強(qiáng) t-LTP，RAM + 神經(jīng)元突觸無顯著增強(qiáng)且前者 t-LTP 更高，提示 RAM + 神經(jīng)元突觸存在 LTP 閉塞。用 Sr²⁺替換 Ca²⁺記錄發(fā)現(xiàn)，RAM + 神經(jīng)元接收 L4 投射后的 e-mEPSC 幅度更大，兩組 PPR 無差異，表明突觸強(qiáng)度改變主要由突觸后機(jī)制引起。綜上，感覺學(xué)習(xí)使 RAM + 神經(jīng)元突觸增強(qiáng)更顯著，限制其 L4-L2/3 突觸誘導(dǎo) LTP 能力，導(dǎo)致 LTP 閉塞。

圖7 感覺學(xué)習(xí)通過突觸后機(jī)制選擇性地加強(qiáng)L4和L2/3 RAM+神經(jīng)元之間的連接

討論
該研究采用RAM（Robust Activity Marking）系統(tǒng)標(biāo)記活性神經(jīng)元集群，并結(jié)合在體雙光子成像、光遺傳學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)和電生理記錄等技術(shù)，探索了桶狀皮層感覺記憶相關(guān)印跡細(xì)胞的突觸重塑規(guī)律。

該研究揭示了感覺學(xué)習(xí)誘導(dǎo)亞層選擇性的桶狀皮層神經(jīng)元激活，并闡明了記憶印跡細(xì)胞（RAM+）特異性突觸可塑性變化。研究發(fā)現(xiàn)感覺學(xué)習(xí)選擇性增強(qiáng)特定神經(jīng)元集群（L4-L2/3 RAM+神經(jīng)元）的突觸連接效率，首次將記憶形成的細(xì)胞和突觸機(jī)制相關(guān)聯(lián)，為理解記憶存儲(chǔ)的神經(jīng)基礎(chǔ)提供了重要依據(jù)，并為研究自閉癥、神經(jīng)發(fā)育疾病等感覺處理缺陷相關(guān)疾病的致病機(jī)理提供了新的線索。

參考文獻(xiàn)：Li J, Zhou R, Wang J, Zhang X, Li Y, Li CE, He B, Li C, Li C, Long S, Lu K, Liu Z, Zhang R, Zhang C, Zhang Y. Dynamic redistribution of AMPA receptors toward memory-related neuronal ensembles in mice barrel cortex during sensory learning. Neuron. 2025 Sep 17;113(18):2979-2996.e8. doi: 10.1016/j.neuron.2025.06.002. Epub 2025 Jul 9. PMID: 40639379.

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