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芝加哥大學團隊揭示感受野可塑性的內在和突觸決定因素
2024年5月31日美國芝加哥大學神經生物學和神經科學研究所Christian Hansel團隊在Nature communications發表“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胞感受野可塑性的內在和突觸決定因素。
感受野,感受器受刺激興奮時,通過感受器官中的向心神經元將神經沖動(各種感覺信息)傳到上位中樞,一個神經元所反應(支配)的刺激區域就叫做神經元的感受野(receptive field)。膜興奮性的非突觸(內在)可塑性有助于記憶形成,但目前尚不清楚它是僅僅促進了突觸的長期增強,還是在決定突觸重量增加的影響方面發揮作用。在小腦浦肯野細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胞雙光子鈣成像期間清醒小鼠感受野可塑性的內在和突觸作用。這兩種刺激的重復激活誘導的反應增強,在突觸或內在可塑性選擇性缺陷的小鼠中受損。對鈣信號的空間分析表明,內在可塑性(而非突觸的可塑性)增強了樹突平行纖維(parallel fiber,PF,小腦皮質顆粒層內顆粒細胞的軸突。位于小腦皮質分子層內,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)反應增強的擴散。
1. PF刺激引起局部鈣反應
為了建立與傳統體外實驗的兼容性,作者開發了一個平臺,能夠對一束 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側外側軸上投射>2毫米。同時使用雙光子成像監測清醒小鼠小腦中鈣信號相應的單細胞反應特性。小鼠被訓練在實驗裝置上保持靜止,并將前肢放置在水平桿上,以保持舒適。在實驗過程中,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軸突束提供細胞外刺激。在100 Hz下施加8個脈沖刺激序成功在每個PC樹突的局部區域內誘發了鈣反應。相比之下,誘發的PF反應明顯局限于受刺激的PF束邊界的局部區域。在PF響應之前、峰值期間和結束時,量化的鈣信號進一步顯示了一個時間聚焦的局部熒光峰值,在受刺激的PF束輸入區域的邊緣有一個明顯的下降,在亞細胞尺度上揭示了對PF 刺激的亞區鈣反應。
2. PF刺激在PC樹突中引發模擬鈣信號
作者使用了兩個已建立的功能喪失模型SK2-KO和CaMKIITT305/6VA小鼠研究內在和突觸可塑性如何構成各種形式的小腦學習的基礎。在這些突觸中,CaMKII促進LTD,而大多數其他類型的谷氨酸能突觸則誘導LTP。TT305/6VA 突變會阻止CaMKII的抑制性自磷酸化,從而阻止LTP的正確誘導。作者選擇了一個0-200 ms的響應時間窗,該時間窗捕獲了刺激序列(0-70 ms)期間的鈣反應,并留下足夠的時間來進行反應積累。當分離反應性試驗和非反應性試驗的平均信號時,觀察到概率和振幅都與刺激強度有關。總的來說,在體內觀察到的鈣信號的刺激強度依賴性與之前的體外和體內的研究高度一致。在接下來的實驗中,使用這些PF介導的反應來表征PF-PC的突觸可塑性。
3. 觸覺刺激在mPC樹突中引發模擬鈣信號
為了在生理條件下獲得高度可重復的觸覺射頻讀數,作者使用玻璃毛細管向動物同側前肢的爪尖吹氣,同時記錄清醒小鼠PC中相應的鈣反應。移除運動試驗,并使用溫和的氣流刺激(4-10psi)來避免厭惡反應,并降低激活橄欖攀緣纖維(CF)通路的可能性,該通路通常對觸覺和傷害性輸入敏感。觀察到反應試驗的強度依賴性增加。通過繪制所有試驗的平均鈣信號還觀察到鈣瞬變的大小隨著刺激強度而增加,盡管這可能歸因于幅度、概率或兩者的變化。分別分析了僅響應性試驗的平均信號,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,抑制突觸可塑性會損害恐懼學習,但條件反應可以通過光激活印記細胞來挽救。這一發現表明,記憶表征需要將突觸輸入傳遞到神經元輸出。其中,當這些神經元在學習時表現出高興奮性時,它們就會被分配到記憶印跡中,從而促進隨后通過LTP進行整合。內在可塑性除了具有門控功能外,還具有這種促進功能,如果沒有這種門控功能,LTP就不會對脈沖輸出產生影響。
文章來源:https://doi.org/10.1038/s41467-024-48373-3
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