哺乳動物大腦中實施學習的特定細胞過程在很大程度上仍然不清楚，盡管已經(jīng)假設特定突觸連接（突觸可塑性）的功效中與學習相關的改變能夠?qū)崿F(xiàn)記憶存儲。哺乳動物中存在多種形式的突觸可塑性，涉及許多不同的分子過程，但在哺乳動物學習過程中行為相關突觸修飾的時間和位置了解較少。“行為時間尺度”的突觸可塑性（BTSP），描述的是一種在秒級時間尺度上突觸改變的現(xiàn)象。但目前關于這種可塑性的產(chǎn)生機制尚不清楚。

解決這些問題需要在行為哺乳動物中測量和操縱已識別細胞的突觸傳遞和可塑性。然而，由于難以在突觸前和突觸后細胞中同時進行電生理操作和記錄，以及難以維持長期膜片鉗連接以探測長期可塑性，這一目標長期以來一直具有挑戰(zhàn)性。

圖片摘要

近日，美國坦福大學生物工程系Karl Deisseroth教授（被譽為“光遺傳學之父”）研究團隊在Cell上發(fā)表重要研究，采用了一種將模式化光遺傳學刺激與電壓成像相結合的全光生理學方法，深入研究了海馬行為時間尺度可塑性的潛在機制。

1、虛擬現(xiàn)實行為中海馬動力學的電壓成像

研究人員構建了一個全息結構化照明系統(tǒng)，和用于somQuasAr6a和somC1C2TG共表達的雙順反子腺相關病毒（AAV），并確認somQuasAr6a和somC1C2TG僅限于軀體和近端樹突[Fig.1]，達到了最小化電壓成像和光遺傳學刺激的光學串擾。通過訓練小鼠在VR系統(tǒng)中導航，光學系統(tǒng)和somQuasAr6a能夠在該行為期間從CA1細胞進行高分辨率記錄。

Figure 1 虛擬現(xiàn)實（VR）行為期間海馬動力學的電壓成像

2、靶向光遺傳學激活招募神經(jīng)元位置場的可塑性

研究人員假設靶向光遺傳學刺激也可以模擬自然過程以誘導快速的位置細胞形成，因此，在特定的虛擬空間位置進行了閉環(huán)光遺傳學刺激[Fig.2A]。并對刺激前、刺激中和刺激后階段進行了電壓成像。分別在三個不同的虛擬空間位置（60、90和120cm）測試了光遺傳學刺激；都引起了相似的位置場塑性[Fig.2D,E]。

在光學產(chǎn)生的位置細胞中，場內(nèi)放電率增加了許多倍，但該程序不影響場外放電率[Fig.2I]，這表明光遺傳可塑性并不簡單地導致總體活性增加。這些光遺傳學刺激結果與先前使用細胞內(nèi)電刺激的BTSP結果一致。

Figure 2 海馬BTSP的全光學誘導和記錄

3、亞閾值特性和多細胞表征的實驗創(chuàng)建

接下來試圖確定這種快速BTSP的機制，首先考慮亞閾值電壓動力學，其反映了突觸輸入與細胞膜特性的相互作用。結果發(fā)現(xiàn)刺激后的光遺傳學誘導位置前10–30 cm的亞閾值去極化顯著高于刺激前[Fig.3B]。同時光遺傳學誘導的位置細胞顯示出自然膜電位變化[Fig.3C]。

接下來考慮，同時成像的細胞之間的細胞內(nèi)相關性可能反映共享輸入。結果發(fā)現(xiàn)位置場內(nèi)的尖峰故障通常同時發(fā)生[Fig.3D]，這表明同時受刺激/成像的細胞之間存在共同的輸入或共享的調(diào)制過程。這些結果將先前的單細胞電生理學發(fā)現(xiàn)擴展到更廣泛的局部網(wǎng)絡，與BTSP的突觸機制一致。

Figure 3 誘導的BTSP在同時相關的神經(jīng)元中表現(xiàn)出增強的閾下電位和電壓相關性

4、行為小鼠CA2/3至CA1突觸的全光學檢測

接下來，研究人員開發(fā)了一種全光方法來檢測基于投射的基因靶向的突觸前CA2/3細胞和突觸后CA1細胞之間的突觸傳遞[Fig.4A-C]。

首先對在球形跑步機上跑步的小鼠的CA1細胞進行成像，向CA2/3細胞傳遞光遺傳學刺激。發(fā)現(xiàn)CA2/3細胞的短暫光遺傳學激活在CA1細胞中引發(fā)興奮性突觸后電位（EPSP），有時出現(xiàn)尖峰[Fig.4D,E]。這些結果建立了行為小鼠中基于投射的CA2/3和CA1細胞之間突觸傳遞的全光學定量測量。

Figure 4 行為小鼠CA2/3至CA1突觸傳遞的全光學生理學

5、CA1可塑性誘導所需的突觸前CA2/3活性

研究人員進一步證實在行為小鼠的BTSP期間，CA2/3到CA1的突觸輸入增強到受刺激的CA1細胞上。但并未證明突觸前CA2/3活性是觀察到的可塑性所必需的。其中的結果發(fā)現(xiàn)在CA2/3的光遺傳學抑制的情況下，在相同的行為期間記錄的相同細胞對CA1靶向光遺傳學刺激沒有產(chǎn)生尖峰可塑性[Fig.5]，這證實了CA1中光學誘導的BTSP依賴于突觸前CA2/3活性，即CA1中刺激位置附近激活的CA2/3輸入的子集被增強。

Figure 5 CA2/3的光遺傳學沉默揭示了CA2/3活性在CA1完整可塑性誘導中的作用

結 論

在這里，通過光遺傳學工具開發(fā)和改進的基因編碼電壓指示器技術（GEVI），實現(xiàn)了高靈敏度基因靶向記錄和操縱執(zhí)行VR空間行為的小鼠海馬中的膜電壓。

在這項工作的過程中，能夠確定活體小鼠大腦中行為時間尺度可塑性的關鍵特征和機制基礎。本文描述的方法為研究行為哺乳動物神經(jīng)回路和突觸中的自然和因果細胞特異性可塑性過程提供了一個潛在的可推廣的全光學（all-optical）框架。

參考文獻：

Fan, Linlin Z et al. “All-optical physiology resolves a synaptic basis for behavioral timescale plasticity.” Cell, S0092-8674(22)01578-1. 13 Jan. 2023, doi:10.1016/j.cell.2022.12.035

編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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