树突棘的妙用--增强运动学习能力

树突棘动力学被认为是运动学习和记忆的基础，而棘突的改变往往导致功能受损。

在这里，斯坦福大学的研究人员们发现了一个例外，即在缺乏配对免疫球蛋白受体B的小鼠（PirB-/-）中，其锥体神经元树突棘的形成率和密度增加了，且PirB-/-小鼠会比WT同类更快地完成任务。

另外，单棘突释放实验（single-spine uncaging experiments）表明，PirB是NMDA受体(NMDAR)依赖性棘突收缩所必需的。

急性抑制成年WT小鼠M1中PirB的功能可增加学习诱导棘突的存活率并提高运动学习能力。即使在成年期，通过操纵PirB也可以消除运动学习的限制。

首先，为了研究PirB对运动皮层兴奋性突触的影响，作者在M1前肢区域埋置双光子显微镜，对第5层锥体神经元（layer 5 pyramidal neurons，L5PNs）顶端的树突棘进行慢性成像。

Thy1-YFP-H; PirB-/-小鼠或Thy1-YFP-H;PirB+/+(WT)小鼠中的L5PNs被标记了黄色荧光。观察发现，相较于WT小鼠，PirB-/-小鼠树突棘密度增加，并且这种改变伴随着功能性兴奋性突触的增加。尽管有更多的兴奋性输入，兴奋和抑制的整体平衡在这些神经元中仍保持稳定。

接着，为了确定M1中棘突密度的增加和棘突动力学的改变是否会影响小鼠学习一项新运动技能的能力，作者通过“食物接触实验（food reaching task）”发现PirB-/-小鼠的运动技能较WT小鼠出现了改善。

此外，作者利用卷积神经网络对到达轨迹运动学进行了详细的分析，发现PirB-/-小鼠与WT相比，可以更快发展出刻板印象、低变异性的特性，显示了PirB-/-小鼠精细动作适应性的增强。

此外，由于他莫昔芬给药和行为训练都是在成年小鼠中进行，揭示了PirB对运动表现的持续抑制功能，也排除了早期发育影响和/或潜在补偿的可能性，因为PirB在种系中丢失。

PirB-/-小鼠树突棘密度增加且运动技能获得改善

为了研究PirB-/-小鼠棘突形成、棘突存活和运动学习增强之间的关系，作者进行了一项纵向实验，即树突棘的慢性体内双光子成像与运动技能训练相结合进行。

在整个训练模式中，通过颅窗观察L5PNs的相同树突节段反复成像，以监测短暂和长期棘突变化。

与接受相同训练但无法学习这项任务的小鼠相比，在成功学习完成到达任务的WT小鼠中，到达前肢对侧M1的L5PNs在早期学习期间棘突形成显著增加，随后棘突消失显著增加，表明棘突形成和消除水平稳定。

而经过训练的PirB-/-小鼠在学习同样的运动技能任务时，棘突形成也显著增加,却不伴随棘突消失的增加。

对WT和PirB-/-小鼠学习任务后棘突形成和消除的直接比较表明，运动学习诱导棘突形成相似的增加，但事实上，PirB-/-小鼠的棘突形成基线更高。与WT学习型小鼠相比，PirB-/-学习型小鼠的学习可以使棘突消除明显降低。

为了研究棘突稳定性是否与在PirB-/-小鼠中观察到的优越的运动记忆相关，作者分析了早期运动训练中新形成的棘突的命运。

与之前的研究一致，在WT小鼠中，学习小鼠中由学习诱导的棘突比非学习者（non-learners，NL）更稳定。与NLs相比，学习PirB-/-小鼠也有更高的棘突生存率。在PirB-/-小鼠的学习过程中，棘突动力学明显地向形成方向转移，而不是消除方向。

这些观察表明，新形成的棘突的稳定性增加是PirB-/-运动学习增强的最可能的解释。

在PirB-/-小鼠的早期学习过程中，新形成的棘突更稳定与学习表现相关

为了确定突触可塑性的细胞机制是否被改变，作者对Thy1-YFP;PirB+/+ 或Thy1-YFP;PirB -/-小鼠进行了LTP检测，发现LTP均可被NMDA受体(NMDAR)阻断剂R-cpp完全阻断。且低频(1hz)配对法成功地在WT小鼠中诱导出了NMDAR依赖的LTD，但同样的方案未能在PirB-/-小鼠中诱导出LTD。

这些结果也表明，PirB有调节突触可塑性的作用，这解释了在PirB-/-小鼠中观察到的学习诱导棘突的稳定性增加和运动学习的增强。

为了确定L5PNs上单个棘突的活动增大是否受PirB的调控，在急性切片制备中，作者使用了高频释放(high-frequency uncaging，HFU)方法靶向单个的Thy1-YFP+树突棘，该方法先前已证实可诱导棘突增大。

的确，HFU诱导WT和PirB-/-小鼠的靶向棘突体积显著增加，然而在PirB-/-小鼠中，长期棘突体积的增加大于WT组。这些结果与在LTP和LTD的研究结果一致，表明PirB敲除后，突触增强和稳定比抑制和收缩出现的可能性更大。

另外，PirB-/-小鼠M1 L5PNs中的LTP增加，LTD出现缺陷，表明PirB突触可塑性规则发生了改变，突触增强和稳定比抑制和收缩更受青睐。且PirB-/-小鼠棘突扩大，稳定性增强。

这些结果表明，NMDAR的非离子性功能需要PirB的存在，而这种与离子通量无关的NMDAR信号的脱离可能是PirB小鼠中观察到的结构可塑性改变的基础。

与NMDAR功能改变相关的Hebbian突触可塑性规则和PirB-/-小鼠单棘突结构可塑性向突触增强和棘突稳定的方向转变

另外，作者使用基于蛋白质的方法对PirB进行相对简单的功能阻断在成年WT小鼠中产生了类似的结果，在成年小鼠的M1中急性和局部阻断PirB，不仅棘突存活率增加，增强了运动学习功能，而且学习诱导的棘突存活是运动学习最相关的结构。

总 结

本项研究中，作者发现阻断PirB提高了健康大脑中运动学习的极限，这表明这种受体的阻断也可能抵消甚至防止在各种神经和精神疾病中观察到的棘突不稳定和加速消除的表型。

参考文献

Enhancing motor learning by increasing the stability of newly formed dendritic spines in the motor cortex. Neuron. 2021 Aug 20;S0896-6273(21)00574-2.

编译作者：Sheena（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）