【J Neurosci】狠起来连自己都打！复旦舒友生/柯蔚团队最新文章首次发现海马下托锥体神经元存在自身突触

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刘明哲_大仲马

前言

突触是神经系统中至关重要的结构，它们连接神经元，形成神经环路并传递信息。通常，一个突触涉及两个神经元，突触前神经元的轴突与突触后神经元紧密接触。然而，还有一种独特的突触类型，称为自身突触或自突触。自突触发生于同一个神经元，其轴突与自身胞体或树突之间形成突触联系。

早在20世纪70年代，自突触在兔新皮层中被首次发现。随后，其他脑区亦发现自突触的存在，包括新皮层、海马、黑质和纹状体等区域。尽管在培养神经元中自突触非常丰富，但在完整的大脑中却相对稀少，所以部分科学家曾怀疑它们可能是连接错误或结构冗余的结果。

然而，自突触倾向于在某些类型的神经元中选择性形成，并在调节自身活动中扮演重要角色，表明它们可能是大脑的基本构建模块。自突触不仅展示了神经元之间的复杂连接方式，也为我们揭示了神经元如何自我调节其功能的奥秘，进一步丰富了我们对大脑工作的理解。

图片来源：Wang & Chen，Chinese Physics B (2015)

研究发现，在新皮层中，GABA能抑制性自突触选择性出现于快速放电（FS）中间神经元中，而在低阈值放电（LTS）细胞中则完全缺失。这些FS细胞中的自突触具自我抑制功能，可调节后续动作电位（AP）生成时间的精确性和可靠性。

尽管形态学研究已经确认新皮层谷氨酸能兴奋性锥体细胞（PCs）中存在自突触，但它们的生理特性和功能仍然鲜为人知。

图片来源：Pouzat & Marty，J Physiol. (1998)

2018年11月20日，《Nature Communications》杂志在线刊登了北师大舒友生课题组（现复旦大学）的重要工作。他们给急性皮层切片灌注了含有锶离子（Sr²⁺）的溶液，这种离子可以影响突触囊泡的释放过程，从而延长其释放时间，有助于识别形成自突触的锥体细胞。

通过对啮齿动物和人类新皮层锥体细胞进行膜片钳记录，他们发现自突触主要存在于第5层锥体细胞中，而第2/3层锥体细胞中极少。此外，锥体细胞自突触在发育过程中持续存在至成年。

令人惊讶的是，自突触介导的突触后反应巨大（约为常规锥体细胞-锥体细胞突触的五倍），且仅由AMPA受体介导。以上发现表明，自突触在某些类型的新皮层锥体细胞中选择性地形成，展示了大脑内部连接的复杂性和精细调控。

那么，在完整的大脑中，除皮层之外的其他区域是否同样存在自突触呢？

图片来源：尹璐萍（现西湖大学PI）等，Nat Commun. (2018)

作为大脑的“自适应巡航系统”，海马结构（Hippocampal Formation, HPF）是中枢神经系统重要组成部分，在学习记忆和空间导航中扮演重要角色。海马结构主要由三部分构成：海马体本身、齿状回（Dentate Gyrus, DG）以及下托（Subiculum）。在海马体和下托中，主要的投射神经元也被称为锥体细胞（PCs），它们的形态和电生理特征与新皮层中锥体细胞十分相似。

考虑到海马结构锥体细胞与新皮层锥体细胞的相似性，海马锥体细胞亦可能发生功能性的自突触，这样的自我突触联系可能在海马相关学习、记忆过程中发挥重要作用。

那么，真的存在吗？

图片来源：Fenton，Nat Rev Neurosci. (2024)

前年9月，笔者建立一个神经环路领域爱好者讨论组（一作、二作均在群内），我在群内分享最前沿的文章，介绍作者科研背景、研究兴趣以及文章技术亮点。有兴趣的小伙伴可以扫码添加笔者微信以进入讨论组，目前讨论组正在如火如荼地进行(已达2000人)^_^

2025年6月05日，《The Journal of Neuroscience》杂志在线刊登（含水印版）复旦大学脑转化研究院舒友生课题组的最新重要工作，他们在含有Sr²⁺的ACSF中对海马锥体细胞进行了全细胞记录，发现自突触反应仅存在于海马下托的一小部分锥体细胞中，并不存在于CA1、CA2和CA3区域。而且，海马自突触的出现时间恰好与锥体细胞在出生早期发育过程中的树突/轴突的空间重叠情况相吻合。

本篇文章阐释，自突触的形成可能与神经元的形态和连接模式密切相关。这种特定的自突触连接方式可能在海马下托锥体细胞相关功能中起重要作用，为海马相关复杂神经网络提供了新视角，意义重大！

结果

1、海马内，锥体细胞自突触仅存在于下托

首先，为探究海马锥体细胞是否具与新皮层相似的自突触反应，作者采用膜片钳电生理方法，记录小鼠出生后第14至21天（P14-21）的海马锥体细胞（图1a；ACSF内含8 mM SrCl₂（※ 重点，要考！））。

在电压钳模式下，作者向记录细胞施加电压脉冲（20次，100 Hz），训练间隔为15秒，以成功诱发反映动作电位（APs）生成的单独动作电流。在下托一小部分锥体细胞中，给予刺激后可立即检测到一系列兴奋性突触后电流（EPSCs），持续数百毫秒（图1b）。训练刺激后EPSC频率显著增加；倘若将训练后EPSC频率比baseline高50%的细胞视为自突触锥体细胞，则有51.61%的下托锥体细胞（n = 48/93 PCs，11只小鼠）形成了自突触（图1c-d）；以较低的强度（5个脉冲，频率为20 Hz）刺激下托锥体细胞亦可增加刺激后EPSC events（补充材料1-1）。

然后，作者行胞体-轴突全细胞记录（dual patch）实验，并结合双光子轴突切除技术以隔离单一下托锥体细胞中的自突触（图1e）。轴突切除前，单个轴突刺激引起胞体产生动作电流；轴突切除后，胞体动作电流消失，不过其中一小部分下托锥体细胞中可记录到自突触兴奋性突触后电流（aEPSCs；图1f），其幅度为-132.03 ± 16.05 pA，衰减时间常数为5.48 ± 0.45 ms（n = 7 PCs，3只小鼠；图1g）。

以上结果表明，部分下托锥体细胞形成了功能性自突触；那么，海马其他亚区结果如何呢？

令人惊讶的是，海马CA1、CA2与CA3锥体细胞均未记录到功能性自突触反应（图2）。综合以上结果，海马锥体细胞自突触选择性地形成在下托而非其他亚区中。那么，下托锥体细胞的解剖学性质是否亦不相同呢？

笔者注：锶是钙的同族元素，具有相似的化学性质，但又不完全一样。在含锶离子的ACSF中，锶离子可作用于钙通道，但效应不如钙离子，导致突触囊泡的释放过程收到影响，不能同步释放。所以，锶离子ACSF常用于研究单囊泡释放性质。

图1 海马下托锥体细胞的自突触反应

图2 海马其他亚区锥体细胞未见自突触反应

2、下托锥体神经元胞体附近具有更多轴突分支

为回答以上问题，作者探究海马锥体细胞的形态学，并对其轴突和树突进行了Sholl分析。下托锥体细胞的轴突分支广泛重叠于基树突，形成自突触接触，自突触接触数量和自突触反应强度呈弱正相关；相较之下，CA1、CA2和CA3锥体细胞的轴突在基树突区域的分支和树突化程度明显更低，导致轴突与树突之间的重叠较少（图3a-d）。根据形态学结果，作者推测自突触接触的平均数量为每个细胞4.94 ± 3.35（n = 18 PCs，9只小鼠），轴突和树突到胞体的平均路径长度分别为261.99 ± 14.02 µm和90.79 ± 4.2 µm（n = 15 PCs，8只小鼠；图3e-f）。

此外，下托锥体细胞的轴突和树突的复杂性显著高于其他锥体细胞。海马内，在胞体附近（100 μm内），下托锥体细胞的轴突交叉、轴突-基树突交叉、轴突分支数量均为最多（图3h）。以上结果提示，轴突-树突的广泛重叠显著增加了形成自突触接触的可能性。

那么，新皮层与海马，哪里形成自突触更早呢？

笔者注：Sholl分析在胞体周围绘制同心圆（以胞体为中心），计算每个圆与树突或轴突的交点数量，进而量化细胞突起的复杂性和形态特征。

图3 下托锥体神经元胞体附近具有更多轴突分支

3、下托锥体细胞自突触的发生早于mPFC

为回答以上问题，作者检测青少年小鼠（P5-20）和成年小鼠（P60-70）中自突触锥体细胞的比例。在P5-7时，58.57 ± 4.46%下托锥体细胞记录到自突触电流，而mPFC未记录到（图4a-c）。

此外，下托锥体细胞自突触比例在P8到20期间下降到40%，并在年轻成年小鼠中进一步下降到23%；相比之下，mPFC锥体细胞自突触比例在P5到20之间迅速增加，年轻成年小鼠中mPFC锥体细胞自突触比例降至30%（图4c）。

形态学方面，出生后mPFC锥体细胞轴突和树突经历了快速生长，基树突变得更长；相比之下，下托锥体细胞的轴突和基树突在出生后第一、第二周的复杂性远高于mPFC，在第三周后无明显差异（图4d，e）。Sholl分析显示，mPFC锥体细胞在P5-8（图4f）到P11-13（图4g）期间轴突和树突交点的数量增加，而下托锥体细胞的交点数量大幅减少。

综上所述，mPFC和下托锥体细胞的自突触均显示出发育变化，mPFC锥体细胞出现过度产生，而下托锥体细胞则在三周后经历了消除。自突触锥体细胞比例的变化与轴突、树突复杂性的发育变化密切相关。

已知mPFC锥体细胞自突触由AMPA受体而非NMDA受体介导，那么海马下托呢？

图4 下托锥体细胞自突触的发生早于mPFC

4、下托锥体细胞自突触反应由AMPA受体而非NMDA受体介导

为探究自突触反应的机制，作者从Sr²⁺-ACSF中去除了Ca²⁺和Mg²⁺，添加了10 μM甘氨酸以强化负电位状态下的NMDA电流，向浴液中添加0.5 μM TTX和50 μM PTX以阻断电压门控钠离子电流和GABAA受体，采用Cs⁺内液记录下托锥体细胞（图5a）。

在单个电压脉冲之后，作者观察到了一系列aEPSCs，这些自突触事件可被AMPA受体拮抗剂NBQX（10 μM）阻断，但不能被NMDA受体拮抗剂APV（50 μM）阻断；而mEPSC会受后者影响（图5b-e），表明自突触反应由AMPA受体介导。

此外，作者还探究了更早发育阶段的结果。在P0-P1阶段的下托锥体细胞中，APV显著减少了mEPSCs的衰减时间（n = 6 PCs，2只小鼠；图5f）。在P7-P9阶段的mPFC锥体细胞中也发现相似结果（n = 15 PCs，3只小鼠；图5h）。P10阶段，自突触已然出现在mPFC锥体细胞中，但aEPSCs衰减时间依然不受APV影响（图5g）。

综上，尽管NMDA受体在兴奋性谷氨酸能突触中大量存在（图5h），但自突触并不表达此类受体，即使是在自突触形成的初期。自突触传递完全由AMPA受体介导。

笔者注：NMDA受体在生理条件下会被镁离子堵住。具体来说，当细胞膜处于静息状态或负电位时，镁离子会进入NMDA受体离子通道并阻止其他阳离子通过。

在膜去极化时（如动作电位发生时），镁离子会被排斥，从而允许钙离子和钠离子通过NMDA受体，激活后续的信号传导过程。

图5 下托锥体神经元自突触反应由AMPA受体而非NMDA受体介导

5、自突触优先形成于部分下托锥体细胞

过去研究显示，自突触选择性地形成于投射到下丘脑等区域的部分新皮层第五层锥体细胞。最后，作者探究下托锥体细胞中的自突触形成是否同样表现出下游脑区特异性。

作为海马的主要输出亚区，下托锥体细胞主要投射到伏隔核（NAc）和杏仁核。前者参与奖励和动机行为的调节，后者调节情绪和压力。我们将Retrobeads注入到P12-14 C57小鼠的伏隔核（NAc）或基底外侧杏仁核（BLA），以选择性标记投射到这两个脑区的下托锥体细胞（图6a-c）。

他们发现，投射到NAc的下托锥体细胞（46.6%，n = 88 PCs，6只小鼠）形成自突触的概率远高于投射到BLA的（17.2%，n = 64 PCs，7只小鼠；图6d-f）。投射到NAc和BLA的锥体细胞位于下托的近端区域，且自突触锥体细胞并没有明显的聚集现象（NAc, n = 43 PCs，3只小鼠；BLA, n = 40个锥体细胞，3只小鼠；图6g）。

综上，下托锥体细胞的自突触也表现出下游脑区的特异性，靶向NAc的锥体细胞形成自突触概率更高，提示下托中的自突触锥体细胞可能在和奖励相关的行为中发挥重要作用。

图6 自突触优先形成于部分下托锥体细胞

本文的局限性

JNS杂志的文章向来严谨精悍，但也需要补充，先说几小点：1、如果聚焦非皮层锥体神经元，除了海马，自突触也可能存在于BLA锥体神经元，甚至丘脑、脊髓等等。2、最后一个图的结论略微有点理想化。海马的投射非常广泛，且很多神经元可以投射到多个脑区，单凭两个主要下游很难做自突触神经元的marker。此外，NAc神经类型很多，介导不同功能，所以投射到NAc的下托锥体细胞不一定参与同一种功能。3、图4研究新皮层和海马哪部分锥体细胞自突触发生的早，自突触发生早晚的生理意义不够明确；感觉放中间有点突兀，不知道是不是放最后相对好一些。

OK，咱们再来说一些笔者期待作者做的：

1、如果自突触很重要，那么他必然对神经元的影响很大，后面可以比较有自突触的锥体细胞 vs 无自突触的锥体细胞，研究两类细胞的本底活性和神经兴奋性，进一步阐释自突触的影响。

2、然后，就是自突触的生理意义到底是什么？自突触相关研究确实很有意思，但对于各类脑功能而言，它是必要的吗？如果找到关键分子，就可以敲低此分子，进而研究自突触对多种行为学的影响，探究其生理意义。

3、其实上一点非常难做：（1）这种从0到1的研究，关键分子十分难找，找到一个也不一定是最关键的，最怕很多分子都参与其中，哪一个都不是必要的（2）并非所有细胞都有自突触，如果通过AAV注射等方式敲低找到的关键分子，它还可能影响其他神经元的功能，造成混淆，（3）自突触的关键分子，很大概率同时参与普通突触的形成，敲低后可能影响不形成自突触的神经元，导致更难研究自突触的功能，（4）不知道不同脑区、不同类神经元自突触的关键分子是否相同，（5）目前的状态，笔者建议给形成自突触的神经元做patch-seq，尽可能找到自突触形成的关键分子（即使找不到，也可以研究形成自突触神经元的转录谱、电生理性质、投射谱是否具特异性），进而研究自突触的生理意义。4、我们知道，神经活性是可以影响分子表达的；假设存在自突触的神经元活性、兴奋性更高；那么，是更高活性的神经元诱发自突触形成呢，还是先有自突触，导致神经活性提升呢（先有鸡，还是先有蛋）？

总结

自突触是由单个神经元形成的自身突触，它们选择性地出现在新皮层谷氨酸能锥体神经元的一个亚群中。海马锥体神经元具有类似于新皮层锥体神经元的形态和电生理特征，但不清楚它们能否形成功能性自突触。

本篇文章对来自任一性别小鼠急性切片中的海马锥体神经元行全细胞记录，记录到的CA1、CA2和CA3锥体神经元均无自突触反应，仅有一个亚群的锥体神经元（约50%）在下托中形成功能性自突触，尤其是那些投射到NAc的神经元。此外，下托锥体神经元自突触反应仅由AMPA受体介导，而不涉及NMDA受体，自突触发生时间远早于mPFC。本篇文章进一步阐释了自突触在中枢神经系统中的广泛性与解剖学机制，为神经发育与神经生理学提供了研究基础，意义重大！

参考文献

Pan X, Pan R, He Q, Ke W, Shu Y. Functional autapses selectively form in a subpopulation of subicular pyramidal cells in hippocampal formation. J Neurosci. 2025 Jun 5:e2301242025. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2301-24.2025. Epub ahead of print. PMID: 40473474.

专家简介

舒友生教授，1994年毕业于湖南师范大学生物教育专业；1999年获中国科学院上海脑研究所神经生物学博士学位，师从痛觉研究领域巨擘赵志奇教授。1999-2006年，美国耶鲁大学麻醉学系和神经生物学系（先后在Robert H. LaMotte 和David A. McCormick教授实验室）博士后、Research Scientist。2006-2013年，中国科学院神经科学研究所建立神经网络功能课题组，研究员。2013-2019年，北京师范大学脑与认知科学研究院、认知神经科学与学习国家重点实验室，教授。2020年入职复旦大学脑科学转化研究院。获国家杰出青年基金、基金委重点项目、上海市浦江人才计划等项目的资助。获中科院青年科学家奖、优秀研究生指导教师奖等。致力于从神经元兴奋性和神经环路电活动的角度探讨脑功能机制和脑疾病发病机理，探索针对不同脑疾病的神经调控治疗策略。原创性研究工作发表在Nature、Nature Neuroscience、Neuron、PNAS、PLoS Biology、Cell Reports等学术期刊上。