2019年8月30号,國際知名神經科學期刊Cerebral Cortex在線發表了 “發育與疾病相關基因”教育部重點實驗室陸巍課題組的研究成果(Long-lasting somatic modifications of convergent dendritic inputs in hippocampal neurons),第一作者為楊鑫老師與博士研究生鮑毅非。
目前國際上對大腦神經元可塑性的研究最主要是在突觸或全細胞層面展開。突觸主要存在于樹突上,有關突觸可塑性的研究幾乎都涉及樹突上的神經傳入強度或效能的變化。由于樹突結構的相對複雜性,使得時空上相關的樹突傳入可通過各種樹突計算及細胞機制在樹突上進行整合,如經典的long-term potentiation (LTP)、spike timing-dependent plasticity (STDP)、input timing-dependent plasticity (ITDP)等可塑性形式,這些突觸傳入的整合機制雖然各不相同,但發生整合的部位均在樹突。另外,穩态可塑性(homeostatic plasticity)及神經元内在特性(如興奮性)的改變多認為是全細胞水平的調節。樹突上的突觸傳入在通過各種不同機制整合後,最終還是要在胞體進行二次整合。當整合後的神經信号大于軸突起始部位的動作電位阈值,則能産生動作電位,使得神經信息能進一步下傳。通常認為胞體部位的整合是一個被動過程,各個樹突來的傳入通過在胞體的簡單疊加實現整合過程。鑒于神經元是一個靈巧的“生物期間(biological device)”,是否可能在胞體存在一個獨立且主動的細胞機制來篩選樹突信号或輔助樹突信号的進一步整合?對這個問題的好奇是本研究的原始動機與出發點。
經過十年堅持不懈的努力,陸巍課題組在急性海馬腦片上,發現來自于頂樹突與基底樹突的傳入在胞體彙聚時,如果基底樹突傳入與頂樹突傳入的時間間隔落在某一個關鍵時間窗内,則反複的這種傳入配對可以誘導雙向的可塑性。進一步通過多種亞細胞水平的電生理記錄方式,如胞體與頂樹突的雙位點同步膜片鉗記錄、基底樹突膜片鉗記錄及頂樹突與基底樹突同步loose-patch recording,證明産生雙向可塑性的具體部位在胞體。進一步的研究證明胞體部位NMDA受體的激活對這種胞體可塑性的産生與表達均非常重要,NMDA受體激活後可能通過抑制快速失活A型鉀通道使得胞體産生部分去極化,可能是可塑性産生的重要機制。而且進一步發現胞體NMDA受體的持續激活足以使得樹突信号在到達胞體時發生可塑性改變。這種新穎的可塑性形式被命名為傳入時間依賴的胞體可塑性(input-timing-dependent somatic plasticity, ITDSP)。這種形式的胞體整合機制不僅對廣泛分布在不同樹突上神經信息的整合有重要的意義,而且該機制能夠快速提高神經元胞體興奮性及促進動作電位産生,對記憶形成初期記憶相關細胞群的構建也有潛在意義。
附圖:新發現的胞體可塑性(B)與傳統的發生在樹突的各種突觸可塑性(A)比較。紅色虛線框示意可塑性發生的部位。