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活到老，学到老。
学习与记忆贯穿人们的一生，那记忆是如何形成的呢？
哺乳动物的大脑在个体的一生中不断学习，具有来获取、保留和检索相关信息的能力，同时过滤和忘记不相关的经历。突触可塑性被认为是学习与记忆的神经基础。然而，由于难以在体内突触尺度上监测和操纵可塑性，突触可塑性规则和记忆形成之间尚未建立因果关系。
2024年12月18日，哥伦比亚大学神经科学系Attila Losonczy团队，在 Nature 杂志发表题为《Synaptic basis of feature selectivity in hippocampal neurons》的文章，团队开发了一种全光学方法来监测空间导航期间单个 CA1 锥体神经元中BF诱导前后树突棘的时空调整和突触权重变化。该研究确定了基底树突和斜树突之间突触可塑性的大小和时间表达的区室特异性差异，将突触可塑性与海马神经元空间选择性的快速出现联系起来。
单个 CA1 锥体神经元光遗传学 PF 诱导前后突触前谷氨酸释放和突触后脊柱钙活性的体内亚细胞分辨率成像
为了研究突触权重 （ΔW） 的变化与单个 CA1 锥体神经元 （CA1PNs）中 place fields (PF) 出现之间的关系,作者开发并了三种单细胞分辨率的工具：（1）作者使用了基因编码的谷氨酸释放传感器 （SFVenus-iGluSnFr-A184S）。当突触后表达时，该传感器报告树突棘接收到的单个输入的突触前谷氨酸释放。（2） 为了测量 PF 诱导前后体内功能性突触强度的变化，作者使用红移钙指示剂 （jRGECO1a） 来监测脊柱钙动力学。（3） 为了诱导 PFs，作者使用了红移兴奋性视蛋白 （bReaChes）。表达 bReaChes 的细胞的空间限制性光遗传学激活可以有效地产生长效 PFs。
作者在小鼠海马背侧 CA1 区域内的单个锥体神经元中引入了基因编码的谷氨酸释放传感器和钙指示剂和兴奋性视蛋白 bReaChes。作者对基底 （层状） 和斜 （放射层） 树突的突触活动动力学进行了双光子成像，作者证实作者可以使用谷氨酸传感器 iGluSnFr 可靠地检测稳定的、空间调谐的突触输入并且可以使用钙指示剂 jRGECO1a 区分与动作电位相关的全局树突事件与单个脊柱的孤立脊柱特异性活动。最后，作者表明可以对 bReaChes 进行光遗传学刺激，以诱导通过行为时间尺度突触可塑性 （BTSP）在体内形成的内源性 PF。
树突棘中膜电位和钙动力学的体内同步双色双光子成像
为了证明在单个树突棘的水平上脊柱钙信号取决于突触去极化的程度，作者对表达绿色电压指示器和红色钙指示剂的CA1PN进行双光子成像
作者发现，孤立脊柱电压事件（即仅在单个脊柱中可检测到的事件，而不能在体细胞中检测到的事件）的曲线下面积 （AUC），与脊柱钙的 AUC 强线性相关。同时还发现，在所有检测到的事件的 AUC 时，这种关系成立，包括全局事件（即所有区间中存在的事件）。总的来说，这些结果表明脊柱限制性钙事件可用于跟踪脊柱电压信号的变化（即ΔW）。
与海马 BTSP 诱导相关的突触可塑性的光学测量
接下来，作者将基因编码的谷氨酸和钙传感器与缺乏 mRuby3 荧光团的 bReaChes 视蛋白共同表达。这使其能够在 PF 诱导前后同时进行树突状钙成像和功能传入投射。
作者将实验分为三个阶段：诱导前、诱导和诱导后。在诱导前阶段，作者对体细胞绘制了突触输入的时空分布，并在诱导前测量了树突棘的初始突触权重。在诱导期诱导了PF。在诱导后阶段，作者确认了 PF 的形成并测量了诱导后所有棘的最终权重。作者发现脊柱限制性钙信号反映了单棘处的电压曲线。作者通过取这些事件AUC来量化突触权重，并将此测量值用作可塑性两个方面的指标。
对12个CA1PN包括 71 个树突分支的突触活动进行了成像。成像的树突棘中大约有一半接收到稳定的、空间调谐的兴奋性突触输入均匀地平铺 VR 环境。在每个细胞的基础上，作者观察到经历增强和抑制的调谐棘的数量分布广泛。在每根脊柱的基础上，作者观察到突触可塑性的大小和方向的广泛分布。
突触权重协调双向变化是行为时间尺度可塑性的基础
作者进一步表征测量的突触可塑性事件如何在 PF 诱导前后（刺激前 4 秒到刺激后 2 秒）进行时间协调。在诱导之前 （~3-4 s） 和 之后 （~1-2 s） 突触抑制的核心，以及在 （~1-2 s） 诱导之前突触增强。峰值不仅出现在刺激之前，而且在时间上也呈不对称衰减。
通过观察发生增强和抑制的脊柱的比例作者发现在刺激部位之前立即激活的输入优先受到增强，而在光遗传学诱导前 >2 秒或光遗传学诱导后 >0.5 秒激活的输入往往会被抑制。
接下来，作者确定了诱导的突触可塑性事件的空间概况。在实验的诱导前阶段，作者观察到活跃在诱导位点周围的兴奋性输入均匀分布。然而，在 PF 形成后，作者发现当动物位于诱导位点之前接收激活的输入的棘经历了显着的增强，而当动物位于诱导位点之后接收激活的输入的棘被主动抑制了进行增强。这种特定于位点的增强伴随着针对所有空间位置的输入的广泛抑制。
最后，作者检查了 PF 宽度和速度与招募进行增强的棘分数之间的关系。发现这两个参数都与经历增强作用的输入的分数和空间覆盖率密切相关。总之，这些结果表明 CA1PN 中 PF 的出现与长时间尺度组织的突触权重变化的时间结构、双向内核有关。
突触可塑性的区室特异性表达
作者比较了两个树突状区室的初始突触权重分布，发现斜棘的初始权重明显高于基棘。该结果表明，与位于基部树突的棘相比，位于斜树突的棘更容易被募集以发生可塑性的双向变化。当测量突触权重变化的幅度和方向（增强与抑制）时，发现与基棘相比，斜棘表现出明显更大的突触权重变化，并且经历了更多的增强和抑制。
通过比较每个树突状区室中突触权重变化的空间和时间内核进一步探索了这些发现。观察到这些谱图仅在位于斜树突的棘中表达，而在位于基部树突的棘中不存在。此外，作者发现位于斜树突上的棘具有温和的可塑性梯度，这在基部树突中不存在：位于靠近胞体的斜树突上的刺倾向于发生抑制，而那些远离胞体的刺倾向于发生增强。研究结果共同证明，突触可塑性的表达是区室特异性的，并且主要由体内 CA1PN 的斜树突而不是基部树突接收到的输入的突触权重的双向变化驱动。
总结
作者使用全光学方法来确定海马 CA1PN 中 PF 形成的突触可塑性规则。作者以与内源性可塑性过程基本相同的方式按需诱导海马神经元的可塑性，使用光遗传学技术在单个细胞中触发从头 PF 形成。此外，作者证实单棘钙动力学可用于通过同时对清醒行为小鼠的树突棘进行电压-钙记录来测量突触权重变化。虽然脊柱钙是突触权重的间接测量，但能够靶向诱导单个神经元的可塑性，并剖析突触可塑性与体内 CA1PN 空间调节出现之间的联系。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08325-9
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