Distinct transmission sites within a synapse for strengthening and homeostasis：突触内独特的传递位点对增强和稳态的作用

《SCIENCE ADVANCES》：Distinct transmission sites within a synapse for strengthening and homeostasis

在神经元突触研究中，为探究突触传递机制及可塑性调控问题，研究人员开展了关于小鼠视觉皮层突触传递位点的研究。结果发现沉默可调控位点（silenceable sites）和闲置可调控位点（idle-able sites），它们分别参与诱发和微型传递，这为理解突触可塑性提供了新视角。

　　在神经系统的微观世界里，神经元之间的信息传递依赖于突触，而突触传递的奥秘一直是神经科学领域的研究热点。传统观点认为，微型突触传递和诱发突触传递发生在相同的传递位点，且一个突触基本只有一个规范的传递单元 。但随着研究的深入，人们发现实际情况可能更为复杂。在哺乳动物皮层的谷氨酸能突触中，量子大小存在高变异性，并且存在沉默突触状态，即突触仅对 N - 甲基 - D - 天冬氨酸（NMDA）型谷氨酸受体（NMDARs）有反应，而对 α- 氨基 - 3 - 羟基 - 5 - 甲基 - 4 - 异恶唑丙酸（AMPA）型谷氨酸受体（AMPARs）无反应。此外，在关键发育期，沉默突触的成熟和修剪过程对神经网络的精细化至关重要，但这一过程如何影响兴奋性驱动以及微型突触传递和诱发突触传递在关键期的变化情况仍不明确。因此，为了深入探究这些问题，研究人员开展了一系列研究。
研究人员针对小鼠视觉皮层开展研究，旨在揭示突触传递的奥秘。他们通过一系列实验，得出了重要结论：发现了两种不同类型的传递位点，即沉默可调控位点（silenceable sites）和闲置可调控位点（idle-able sites），它们在诱发或微型传递中发挥着不同作用，且通过不同机制在 “开启” 和 “关闭” 状态间转换；明确了在关键发育期，沉默可调控位点的变化导致诱发突触传递增强，同时闲置可调控位点的闲置增加以维持微型突触传递的稳态；证实了两种传递位点在单根树突棘上共存。这些结论为理解突触可塑性和神经网络的发育提供了新的视角，有助于进一步探索神经系统的奥秘。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是切片电生理学技术，通过对小鼠视觉皮层切片进行标准的全细胞电压钳记录，来研究神经元的电生理特性；其次是双光子谷氨酸解笼技术，用于激活单根树突棘上的 AMPARs，从而探究传递位点的特性；此外，还运用了免疫印迹分析技术，以检测相关蛋白的表达和变化情况 。
研究结果如下：

1. 诱发与微型突触传递的发育轨迹脱节：研究人员通过对小鼠视觉皮层 L2/3 锥体神经元的研究发现，随着发育进程，沉默突触的比例在关键期显著下降，从 P10 和 P14 的约 50% 降至 P30 的 < 20% ，同时 AMPAR 介导的诱发突触传递增强，这一过程依赖于视觉经验和沉默突触的去沉默化。而微型兴奋性突触后电流（mEPSCs）在睁眼后频率增加，但幅度减小，且在关键期频率和幅度保持恒定，这表明存在稳态调节机制。此外，树突棘密度在 P10 到 P20 显著增加，随后减少，但其变化无法完全解释诱发和微型突触传递之间的差异。
2. 脱敏抑制剂恢复无反应的传递位点：使用脱敏抑制剂三氯甲噻嗪（TCM）处理后，L2/3 锥体神经元的 mEPSC 频率和幅度均增加，且在 P30 时的效果比 P16 更明显，这表明 TCM 能够恢复处于长期无反应状态的传递位点。
3. 恢复传递位点与阻断脱敏不同：通过比较不同脱敏抑制剂的作用，发现虽然它们都能抑制 AMPAR 脱敏，但对 mEPSC 频率的影响不同。例如，Cx614 能有效抑制脱敏，但不增加 mEPSC 频率，而 TCM 和环噻嗪（CTZ）则能增加频率，这说明恢复传递位点与抑制脱敏是不同的机制。
4. 传递位点的恢复涵盖整个幅度范围：通过对 mEPSC 幅度分布的分析，发现 TCM 增加频率并非主要由于幅度增加导致检测阈值变化，而是恢复了先前未检测到的事件，且恢复的传递位点在 P30 比 P16 更多，这与发育过程中更多微型传递位点闲置以维持 mEPSC 频率恒定的现象一致。
5. 两种不同的 mEPSC 群体：mEPSCs 由两个具有不同平均量子幅度的群体组成，较大幅度的群体包含闲置可调控的传递位点，且在发育过程中，这两个群体的比例发生变化，TCM 应用后，包含闲置可调控位点的群体权重增加。
6. TCM 对微型和诱发突触传递的影响不同：TCM 对诱发突触传递的量子含量无影响，但能增加 mEPSC 频率，这表明存在不同的传递位点分别用于自发和诱发传递。
7. TCM 不影响突触前释放概率：通过测量配对脉冲比率（PPR）和使用 NMDAR 开放通道阻滞剂 MK-801 的使用依赖性阻断率等方法，证实 TCM 对 L2/3 锥体神经元的突触前释放概率无显著影响。
8. TCM 通过突触后机制增加 mEPSC 频率：研究表明，TCM 增加 mEPSC 频率主要是通过突触后恢复闲置的 AMPARs，而不是影响突触前的融合能力。实验发现，TCM 对 NMDAR mEPSCs 无影响，但能显著增加 AMPAR mEPSCs 的频率，且不影响表面 GluA2 水平。
9. 单根树突棘上存在不同的平行传递位点：通过模拟和双光子谷氨酸解笼实验，支持了沉默可调控位点和闲置可调控位点在单根树突棘上共存的混合模型，即不同传递位点在单根树突棘上平行运作。
   研究结论和讨论部分指出，该研究发现了视觉皮层 L2/3 锥体神经元树突棘内两种不同的传递位点，它们分别在经验依赖的增强和突触传递稳态中发挥作用。mEPSC 频率受突触前和突触后机制共同调控，其中突触后传递位点的闲置是一种新发现的强效调控机制。沉默可调控位点和闲置可调控位点在单根树突棘上并行运作，且闲置状态与 AMPAR 脱敏不同，可能是一种新的未定义状态。此外，突触闲置可塑性与沉默突触成熟协同作用，有助于建立能够进行经验依赖的突触细化并最终达到稳定状态的皮层神经网络。这一研究成果拓展了人们对突触传递机制的理解，为后续研究神经系统的发育、可塑性以及相关疾病的机制提供了重要的理论基础，具有重要的科学意义。