Nature：长期使用双光子显微镜对CA1星形胶质细胞成像的新发现

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近年来，研究揭示了星形胶质细胞在调节神经元活动和行为方面的许多作用。不同的研究表明，脑皮质星形胶质细胞对特定的感官刺激有钙瞬态反应，然而，目前仍缺乏对清醒小鼠海马体中星形胶质细胞实时钙活性的纵向研究。 近日，Inbal Goshen团队将其最新研究成果“Hippocampal astrocytes encode reward location”发表在Nature杂志上。在这项研究中，当小鼠在熟悉或新的虚拟环境中奔跑以获得奖励时，他们使用双光子显微镜对CA1星形胶质细胞进行长期成像。

导航期间对CA1星形胶质细胞进行成像

将一个具有多个不同视觉线索的圆形虚拟环境投影到小鼠前面的弯曲屏幕上（图1a）。记录鼠标在跑步机上的运动，并将其转换为沿虚拟轨道的运动。每圈170厘米后，将给予一次水奖励，并与虚拟环境中的特定位置相匹配（图1b）。 在背侧CA1星形胶质细胞中病毒表达胞质GCaMP6f（图1c），总共11只小鼠中对星形胶质细胞体瘤中的钙瞬变和主要过程进行成像。作者从两个视场（FOV）获得单独的时间序列（图1d，e）。

图1.在虚拟现实中导航小鼠中CA1星形胶质细胞的Ca2+成像。

星形细胞的活动逐渐趋向奖励

作者首先研究了小鼠穿越熟悉环境时星形细胞群体的整体活动，发现它的特点是许多ROI中具有同步活动时期（synchronous activity epochs，图2a），星形细胞种群活动随位置的变化有明显的差异，与随机数据有显著差异（图2c，d）。大约30%的星形细胞ROI具有显著的空间信息。然而，它们的激活峰值并没有平铺整个过程；大多数ROI的最大事件概率在奖励位置附近，它们显示出逐渐上升（图2e，f），表明与神经元相比，星形胶质细胞可能以不同的方式代表环境。 综上所述，这些发现表明星形细胞信号受到奖励位置的调节，而不是由小鼠的速度调制。

图2. 星形细胞活动随着小鼠向奖励位置移动而增加。

Ramping需要以前的经验

在稀疏的抑制神经元中使用荧光表达，能够在随后的几天内恢复到相同的FOV（图3a）。首先，作者只分析了在两个阶段中反复活跃的ROI（图3b）。重复活跃的星形细胞ROI的亚群受到熟悉环境中位置的显著调节，逐渐增加其对奖励位置的总体活动（图3c）。然而，在新环境中，这种ramping不太明显（图3d）。 综上所述，结果表明星形胶质细胞在不同的环境中会有所区别，在熟悉的环境中会趋向于预期的奖励，而在新的环境中则不会。在学习了一个新的环境或特定环境下的新的奖励位置后，星形胶质细胞钙活性的上升就出现了。

图3.当小鼠在熟悉的环境中向奖励位置移动时，星形细胞活动会增加，但在新环境中则不会。

从星形细胞活动解码位置

作者为每只小鼠构建了一个线性回归解码器，这些解码器根据二元钙活性痕迹预测其位置，或以打乱的痕迹作为对照（图4a-d）。解码器对小鼠轨迹的估计明显优于在打乱的数据上测试（图4d）。接着它们研究了类似的线性解码器是否可以推断出鼠标在新环境中的位置（图4e-h）。 与在打乱的数据上训练时相比，解码器的性能没有显着差异。最后，根据二进制Ca2+活动轨迹训练了单独的线性解码器来预测小鼠在熟悉环境中的归一化速度，发现它们的性能与经过洗选数据训练的解码器没有显著差异（图4i-l），表明无法从星形细胞活动推断出运行速度。综上所述，这些发现表明，使用线性解码器从星形细胞活动中重建小鼠的位置轨迹需要熟悉环境，并且与神经元相反，不能在新环境中完成。

图4.从熟悉环境中的星形细胞活动解码小鼠轨迹。

结 论

作者报告了清醒行为小鼠海马体中的纵向星形细胞活动。在熟悉的新虚拟环境中，对小鼠CA1星形胶质细胞进行长期成像。发现星形胶质细胞的活动持续向奖励位置倾斜，但只有在空间背景和其中的奖励位置都是预先习得的情况下。此外，星形细胞种群活动可以单独用于重建小鼠在环境中的轨迹。这是星形胶质细胞参与空间任务的首批迹象之一，并且可以在熟悉的环境中编码与位置相关的信息，从而扩展它们在认知功能中的已知作用。 星形胶质细胞以前被证明在脑皮层中用钙瞬态来编码感觉刺激，研究海马星形胶质细胞在各种行为中的实时参与将加深我们对认知功能及其基础计算的理解。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05146-6

参考文献

Doron, A., Rubin, A., Benmelech-Chovav, A. et al. Hippocampal astrocytes encode reward location. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05146-6

编译作者：Ayden（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）