Cell：光遗传学之父用全光生理解析行为时间尺度可塑性的突触基础

哺乳动物大脑中实施学习的特定细胞过程在很大程度上仍然不清楚，尽管已经假设特定突触连接（突触可塑性）的功效中与学习相关的改变能够实现记忆存储。哺乳动物中存在多种形式的突触可塑性，涉及许多不同的分子过程，但在哺乳动物学习过程中行为相关突触修饰的时间和位置了解较少。“行为时间尺度”的突触可塑性（BTSP），描述的是一种在秒级时间尺度上突触改变的现象。但目前关于这种可塑性的产生机制尚不清楚。

解决这些问题需要在行为哺乳动物中测量和操纵已识别细胞的突触传递和可塑性。然而，由于难以在突触前和突触后细胞中同时进行电生理操作和记录，以及难以维持长期膜片钳连接以探测长期可塑性，这一目标长期以来一直具有挑战性。

图片摘要

近日，美国坦福大学生物工程系Karl Deisseroth教授（被誉为“光遗传学之父”）研究团队在Cell上发表重要研究，采用了一种将模式化光遗传学刺激与电压成像相结合的全光生理学方法，深入研究了海马行为时间尺度可塑性的潜在机制。

1、虚拟现实行为中海马动力学的电压成像

研究人员构建了一个全息结构化照明系统，和用于somQuasAr6a和somC1C2TG共表达的双顺反子腺相关病毒（AAV），并确认somQuasAr6a和somC1C2TG仅限于躯体和近端树突[Fig.1]，达到了最小化电压成像和光遗传学刺激的光学串扰。通过训练小鼠在VR系统中导航，光学系统和somQuasAr6a能够在该行为期间从CA1细胞进行高分辨率记录。

Figure 1 虚拟现实（VR）行为期间海马动力学的电压成像

2、靶向光遗传学激活招募神经元位置场的可塑性

研究人员假设靶向光遗传学刺激也可以模拟自然过程以诱导快速的位置细胞形成，因此，在特定的虚拟空间位置进行了闭环光遗传学刺激[Fig.2A]。并对刺激前、刺激中和刺激后阶段进行了电压成像。分别在三个不同的虚拟空间位置（60、90和120cm）测试了光遗传学刺激；都引起了相似的位置场塑性[Fig.2D,E]。

在光学产生的位置细胞中，场内放电率增加了许多倍，但该程序不影响场外放电率[Fig.2I]，这表明光遗传可塑性并不简单地导致总体活性增加。这些光遗传学刺激结果与先前使用细胞内电刺激的BTSP结果一致。

Figure 2 海马BTSP的全光学诱导和记录

3、亚阈值特性和多细胞表征的实验创建

接下来试图确定这种快速BTSP的机制，首先考虑亚阈值电压动力学，其反映了突触输入与细胞膜特性的相互作用。结果发现刺激后的光遗传学诱导位置前10–30 cm的亚阈值去极化显著高于刺激前[Fig.3B]。同时光遗传学诱导的位置细胞显示出自然膜电位变化[Fig.3C]。

接下来考虑，同时成像的细胞之间的细胞内相关性可能反映共享输入。结果发现位置场内的尖峰故障通常同时发生[Fig.3D]，这表明同时受刺激/成像的细胞之间存在共同的输入或共享的调制过程。这些结果将先前的单细胞电生理学发现扩展到更广泛的局部网络，与BTSP的突触机制一致。

Figure 3 诱导的BTSP在同时相关的神经元中表现出增强的阈下电位和电压相关性

4、行为小鼠CA2/3至CA1突触的全光学检测

接下来，研究人员开发了一种全光方法来检测基于投射的基因靶向的突触前CA2/3细胞和突触后CA1细胞之间的突触传递[Fig.4A-C]。

首先对在球形跑步机上跑步的小鼠的CA1细胞进行成像，向CA2/3细胞传递光遗传学刺激。发现CA2/3细胞的短暂光遗传学激活在CA1细胞中引发兴奋性突触后电位（EPSP），有时出现尖峰[Fig.4D,E]。这些结果建立了行为小鼠中基于投射的CA2/3和CA1细胞之间突触传递的全光学定量测量。

Figure 4 行为小鼠CA2/3至CA1突触传递的全光学生理学

5、CA1可塑性诱导所需的突触前CA2/3活性

研究人员进一步证实在行为小鼠的BTSP期间，CA2/3到CA1的突触输入增强到受刺激的CA1细胞上。但并未证明突触前CA2/3活性是观察到的可塑性所必需的。其中的结果发现在CA2/3的光遗传学抑制的情况下，在相同的行为期间记录的相同细胞对CA1靶向光遗传学刺激没有产生尖峰可塑性[Fig.5]，这证实了CA1中光学诱导的BTSP依赖于突触前CA2/3活性，即CA1中刺激位置附近激活的CA2/3输入的子集被增强。

Figure 5 CA2/3的光遗传学沉默揭示了CA2/3活性在CA1完整可塑性诱导中的作用

结 论

在这里，通过光遗传学工具开发和改进的基因编码电压指示器技术（GEVI），实现了高灵敏度基因靶向记录和操纵执行VR空间行为的小鼠海马中的膜电压。

在这项工作的过程中，能够确定活体小鼠大脑中行为时间尺度可塑性的关键特征和机制基础。本文描述的方法为研究行为哺乳动物神经回路和突触中的自然和因果细胞特异性可塑性过程提供了一个潜在的可推广的全光学（all-optical）框架。

参考文献：

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

编译作者：Young（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）