Nat Commun丨芝加哥大学团队揭示小脑浦肯野细胞可塑性机制

2024年5月31日，美国芝加哥大学神经生物学和神经科学研究所Christian Hansel团队在Nature communications发表“Intrinsic and synaptic determinants of receptive field plasticity in Purkinje cells of the mouse cerebellum”，揭示了小鼠小脑浦肯野细胞感受野可塑性的内在和突触决定因素。

感受野，感受器受刺激兴奋时，通过感受器官中的向心神经元将神经冲动（各种感觉信息）传到上位中枢，一个神经元所反应（支配）的刺激区域就叫做神经元的感受野（receptive field）。膜兴奋性的非突触（内在）可塑性有助于记忆形成，但目前尚不清楚它是仅仅促进了突触的长期增强，还是在决定突触重量增加的影响方面发挥作用。在小脑浦肯野细胞的双光子钙成像过程中，作者利用触觉刺激和平行纤维的电激活来探测在小脑浦肯野细胞双光子钙成像期间清醒小鼠感受野可塑性的内在和突触作用。这两种刺激的重复激活诱导的反应增强，在突触或内在可塑性选择性缺陷的小鼠中受损。对钙信号的空间分析表明，内在可塑性（而非突触的可塑性）增强了树突平行纤维（parallel fiber，PF，小脑皮质颗粒层内颗粒细胞的轴突。位于小脑皮质分子层内，与小脑小叶片纵轴平行。呈丁字形，分为两支，均沿叶片的纵轴行走，与叶片纵轴平行）反应增强的扩散。

图一 PF刺激引起局部钙反应

为了建立与传统体外实验的兼容性，作者开发了一个平台，能够对一束 PFs施加直接电刺激，这些PFs在与PC树突的旁矢状排列正交的内侧外侧轴上投射>2毫米。同时使用双光子成像监测清醒小鼠小脑中钙信号相应的单细胞反应特性。小鼠被训练在实验装置上保持静止，并将前肢放置在水平杆上，以保持舒适。在实验过程中，将填充人工脑脊液（ACSF）的玻璃移液管插入5 mm玻璃颅窗中心的透明硅胶入孔为PF轴突束提供细胞外刺激。在100 Hz下施加8个脉冲刺激序成功在每个PC树突的局部区域内诱发了钙反应。相比之下，诱发的PF反应明显局限于受刺激的PF束边界的局部区域。在PF响应之前、峰值期间和结束时，量化的钙信号进一步显示了一个时间聚焦的局部荧光峰值，在受刺激的PF束输入区域的边缘有一个明显的下降，在亚细胞尺度上揭示了对PF 刺激的亚区钙反应。

图二 PF刺激在PC树突中引发模拟钙信号

作者使用了两个已建立的功能丧失模型SK2-KO和CaMKIITT305/6VA小鼠研究内在和突触可塑性如何构成各种形式的小脑学习的基础。在这些突触中，CaMKII促进LTD，而大多数其他类型的谷氨酸能突触则诱导LTP。TT305/6VA 突变会阻止CaMKII的抑制性自磷酸化，从而阻止LTP的正确诱导。作者选择了一个0-200 ms的响应时间窗，该时间窗捕获了刺激序列（0-70 ms）期间的钙反应，并留下足够的时间来进行反应积累。当分离反应性试验和非反应性试验的平均信号时，观察到概率和振幅都与刺激强度有关。总的来说，在体内观察到的钙信号的刺激强度依赖性与之前的体外和体内的研究高度一致。在接下来的实验中，使用这些PF介导的反应来表征PF-PC的突触可塑性。

图三 触觉刺激在mPC树突中引发模拟钙信号

为了在生理条件下获得高度可重复的触觉射频读数，作者使用玻璃毛细管向动物同侧前肢的爪尖吹气，同时记录清醒小鼠PC中相应的钙反应。移除运动试验，并使用温和的气流刺激（4-10psi）来避免厌恶反应，并降低激活橄榄攀缘纤维（CF）通路的可能性，该通路通常对触觉和伤害性输入敏感。观察到反应试验的强度依赖性增加。通过绘制所有试验的平均钙信号还观察到钙瞬变的大小随着刺激强度而增加，尽管这可能归因于幅度、概率或两者的变化。分别分析了仅响应性试验的平均信号，并观察到幅度略有增加。

综上所述，作者的观察解释了为什么在SK2-KO小鼠中，延迟眨眼条件反射受损。在齿状回中，抑制突触可塑性会损害恐惧学习，但条件反应可以通过光激活印记细胞来挽救。这一发现表明，记忆表征需要将突触输入传递到神经元输出。其中，当这些神经元在学习时表现出高兴奋性时，它们就会被分配到记忆印迹中，从而促进随后通过LTP进行整合。内在可塑性除了具有门控功能外，还具有这种促进功能，如果没有这种门控功能，LTP就不会对脉冲输出产生影响。

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