Nat commun丨你的反应快慢谁决定？哈佛团队找到树突里的“加速按钮”

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动物行为学实验是神经科学研究领域的重要组成部分，主要侧重于科学客观地评价各种条件下的动物行为。动物行为学实验种类繁多，研究不同的疾病模型时，研究人员需根据关注的具体行为选择合适的研究手段。《动物行为实验手册》为学习记忆类、抗焦虑抑郁类、抗疲劳类、神经精神类、痛觉测试类、嗅觉测试类、社会行为类及特定行为评估类等，其中许多实验需要借助特制的仪器、记录及分析系统。

神经元上的树突能产生电兴奋，但目前对于这些电兴奋在计算层面上的重要性理解还不够深入。

基于此，2025年2月4日美国哈佛大学化学与化学生物学系Adam E. Cohen研究团队在Nature communications杂志发表了“Dendritic excitations govern backpropagation via a spike-rate accelerometer”揭示了树突兴奋通过一种脉冲频率加速度计来调控反向传播。

远端树突中存在反向传播动作电位（bAPs），由局部生成的Na+尖峰（dSpikes）驱动。树突去极化通过A型钾通道失活动作打开一个短暂的时间窗口，允许dSpike传播，并由缓慢的NaV失活动作关闭。dSpikes与突触输入的碰撞会触发钙通道和NMDAR依赖的树突平台电位，同时在胞体上产生复杂动作电位。这种网络作为spike率加速计，直观地展示了树突生物物理学如何影响联想可塑性规则。简而言之，研究揭示了树突中复杂的电活动及其对神经元信号处理和可塑性的潜在影响。

图一 利用全光电生理学技术绘制树突电压图谱

作者通过结合靶向光遗传学刺激与高速结构光照明电压成像技术来探究树突的兴奋性。将基于Voltron的用于全光树突电生理学研究的工具命名为Optopatch-V。利用膜片钳记录，证实与邻近的未表达神经元相比，Optopatch-V不会干扰神经元的静息特性或兴奋性。然后同时进行膜片钳和荧光记录。通过比较直接靶向聚焦树突的刺激与相同刺激在横向偏移不同距离时所诱发的反应，来测试模式化单光子光遗传学刺激的特异性。树突光遗传学刺激可以定位在约30 μm的区域内。最后，量化了结构光照明电压成像对离焦信号的抑制效果。电压诱发的动作电位幅度图谱清晰地显示了树突树聚焦部分的结构。在功能记录完成后，通过双光子显微镜制作高分辨率的三维结构图像。通过拟合显微镜模糊函数的正向模型，将功能记录映射到独立测量的细胞形态上。结果表明，通过光遗传学刺激和高速结构化照明电压成像技术，成功探测了小鼠海马CA1锥体神经元树突的兴奋性。该工具能够以高时空分辨率记录电压变化，且不干扰神经元的基本特性。

图二 树突动作电位的时空图谱

在表达Optopatch-V且分离良好的神经元中，作者用光遗传学方法刺激一小簇近端斜向树突（持续时间20毫秒，频率5赫兹，重复54次）并绘制生物电反应图谱。每次刺激都会在胞体诱发两个动作电位，但在某些情况下（54次试验中有8次），树突会产生单个快速动作电位。胞体处呈单峰分布，而远端树突处明显呈双峰分布。在该实验中，树突兴奋总是源自第二个胞体动作电位，而非第一个，将这些树突兴奋称为dSpikes（树突动作电位）。作者计算了第一个胞体动作电位起始前阈下去极化的刺激触发平均值。接着将试验分为诱发dSpike和未诱发dSpike的两类。在未诱发dSpike的试验中，反向传播动作电位（bAP）主要局限于胞体以及近端顶树突和基树突。在诱发dSpike的试验中，远端树突的去极化得到增强。

图三 平台电位由突触输入与dSpikes的碰撞引发

为了探究谷氨酸能输入如何影响树突电生理学，研究者通过电场刺激（EFS）和光遗传学刺激相结合可以诱导树突产生持续的平台电位以及胞体产生复杂的动作电位。EFS和光遗传学刺激结合能够诱导树突中的长持续时间（~120ms）平台电位及胞体上的复杂动作电位。组合刺激比单独使用任何一种刺激产生的效果强得多。光学和电刺激的时间重叠显著增强了非线性放大效应，且这种放大是非对称的时间偏移函数。NaV通道介导的dSpikes是plateau电位形成的必要条件，强调了树突spike率加速器的重要性。弱光遗传学刺激无法单独驱动树突NaV失活，但在不同时间点的EFS都能有效地诱导plateau电位，证明了远端突触输入与快速胞体动作电位起始的同时性是关键。

总结

文章揭示了树突兴奋通过特定模式的胞体放电调控动作电位反向传播到树突的过程，这种调控依赖于一个复杂的、基于尖峰速率变化率的机制。活体中的神经元受到多种因素的影响，这些因素可能使得树突电压动态更加复杂。这一发现对理解神经元的可塑性和信息处理具有重要意义。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-55819-9