一種全光學(xué)方法來探測清醒小鼠小腦的突觸可塑性的開發(fā)研究

2025年10月3日，英國倫敦大學(xué)學(xué)院沃爾夫森生物醫(yī)學(xué)研究所Jacques Carolan團隊在Nature communications上發(fā)表了一篇名為“All-optical voltage interrogation for probing synaptic plasticity in vivo ”的研究論文，該文章結(jié)果為定義清醒動物在行為過程中已識別突觸處的可塑性誘導(dǎo)規(guī)則提供了藍圖。

介紹
電信號是神經(jīng)元的 “內(nèi)部語言”，跨膜電位變化（如突觸電位、動作電位）是神經(jīng)元接收和傳遞信息的基礎(chǔ)，要了解神經(jīng)元及網(wǎng)絡(luò)的信息處理與存儲，測這些信號很關(guān)鍵，尤其長期測基因明確神經(jīng)元的突觸動態(tài)，對驗證記憶存儲理論很重要。但測完整大腦中單個神經(jīng)元的電壓動態(tài)很難，傳統(tǒng)細胞內(nèi)記錄方法有局限，常用鈣信號間接替代。不過，新一代適用于雙光子顯微鏡的基因編碼電壓指示器（GEVI），讓直接測體內(nèi)基因明確神經(jīng)元的電壓信號有了可能。

這里提出一種新方法，結(jié)合優(yōu)化的 GEVI、雙光子成像、光遺傳學(xué)和感覺刺激，能測清醒行為小鼠大腦中小腦浦肯野細胞樹突的突觸后電壓信號，還發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜尖峰的調(diào)節(jié)情況及相關(guān)突觸電位。將顆粒細胞激活與感覺誘發(fā)的攀爬纖維信號配對（這是小腦學(xué)習(xí)的關(guān)鍵機制），會引發(fā)抑制性突觸長期增強，也評估了其對樹突和鄰近神經(jīng)元的影響。這種方法用傳統(tǒng)雙光子顯微鏡，易在多數(shù)神經(jīng)科學(xué)實驗室推廣，能快速、無創(chuàng)地研究清醒行為動物神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的可塑性誘導(dǎo)和記憶存儲。

結(jié)果
01 JEDI-2Psub 體內(nèi)雙光子電壓成像和光遺傳學(xué)揭示了小腦中閾值下膜電位動力學(xué)
為測量浦肯野細胞（PC）的突觸后電位，研究團隊先對原有基因編碼電壓指示器（GEVI）JEDI-2P 進行優(yōu)化，在其 GFP 與電壓傳感結(jié)構(gòu)域間插入色氨酸。優(yōu)化后指標(biāo)單尖峰電壓響應(yīng)更大、光穩(wěn)定性更好，且電壓敏感性轉(zhuǎn)向更負(fù)膜電位，對靜息膜電位附近電壓變化的響應(yīng)提升 3.5 倍（這是報告突觸后電位的關(guān)鍵），該優(yōu)化指標(biāo)被命名為 JEDI-2Psub，突出其對亞閾值響應(yīng)的更高靈敏度。
 

圖1：在激光掃描雙光子激發(fā)下，JEDI-2Psub對亞閾值電壓動力學(xué)的熒光響應(yīng)比JEDI-2P更大

為探測浦肯野細胞（PC）興奮性與抑制性輸入突觸的可塑性，研究團隊開發(fā)了 “雙光子電壓成像測 PC 突觸后電壓 + 光遺傳學(xué)激活顆粒細胞（GrC）輸入 + 感覺刺激驅(qū)動攀爬纖維（CF）通路” 的方法。實驗在清醒頭部固定、跑輪上的小鼠中進行，用共振掃描雙光子顯微鏡觀察小腦表面下 50-100μm 處、表達 JEDI-2Psub 的 PC 多刺樹突，其自發(fā)電壓瞬變符合 CF 驅(qū)動的復(fù)雜尖峰特征。

對小鼠胡須墊加氣吸刺激，PC 樹突出現(xiàn)抑制性或興奮性反應(yīng)，其中興奮性反應(yīng)的波形與自發(fā)復(fù)雜尖峰幾乎一致，確認(rèn)由 CF 驅(qū)動。光遺傳學(xué)激活 GrC 時，PC 常出現(xiàn)隨刺激強度增強的分級超極化，加巴嗪可顯著減弱該反應(yīng)，證實是 GABA 介導(dǎo)的抑制性突觸后電位（IPSP）；偶爾也會引發(fā)去極化，且僅視蛋白小鼠光刺激無反應(yīng)、PC 復(fù)雜尖峰在記錄全程及不同小鼠間無顯著變化。綜上，該方法能全光學(xué)誘發(fā)并解析 IPSP。
 

圖2：體內(nèi)雙光子電壓成像和光遺傳學(xué)揭示了浦肯野細胞（PC）樹突的亞閾值動力學(xué)

02 樹突狀反應(yīng)的時空分析區(qū)分突觸驅(qū)動的 Ca 和再生的 Ca2+事件
為探究局部網(wǎng)絡(luò)中電壓信號的空間關(guān)系，研究團隊對相鄰浦肯野細胞（PC）樹突成像，發(fā)現(xiàn)相鄰 PC 常出現(xiàn)同步復(fù)雜尖峰，其峰值潛伏期和感覺誘發(fā)概率高度相關(guān)，說明它們屬于同一功能 “微區(qū)”，但尖峰幅度無顯著關(guān)聯(lián)，表明信號在相鄰細胞中獨立調(diào)節(jié)；同時，相鄰 PC 樹突中感覺或光遺傳學(xué)誘發(fā)的抑制性突觸后電位（IPSP）振幅、峰值潛伏期均密切相關(guān)，提示它們接受共同抑制輸入。

團隊還將單個 PC 樹突分割為～5μm 段分析，發(fā)現(xiàn)感覺誘發(fā)和自發(fā)復(fù)雜尖峰在樹突樹中分布均勻，符合攀爬纖維輸入廣泛分布的特點；而 IPSP 分布更異質(zhì)，可能因抑制性突觸輸入激活離散不均導(dǎo)致。且復(fù)雜尖峰與 IPSP 均和基線熒光無關(guān)，證明變化具有生理性。
 

圖3：PC樹突電壓響應(yīng)的時空分析區(qū)分突觸驅(qū)動和再生Ca2+事件

03 體內(nèi)可塑性誘導(dǎo)誘導(dǎo) LTP 并使 PC 樹突的活性正�；�
研究團隊用全光學(xué)方法測量突觸可塑性：將光遺傳學(xué)激活的顆粒細胞（GrC）與感覺誘發(fā)的攀爬纖維（CF）輸入配對（CF 激活后 150 毫秒激活 GrC，1Hz 重復(fù) 300 次），發(fā)現(xiàn)浦肯野細胞（PC）樹突的抑制性突觸后電位（IPSP）出現(xiàn)長期增強（LTP），可持續(xù) 40 分鐘；對照組（省略配對或顛倒刺激順序）無此增強，且自發(fā)復(fù)雜尖峰穩(wěn)定，排除光漂白影響。

分析顯示，基線 IPSP 較小的 PC，LTP 更大；相鄰 PC 的 LTP 大小高度相關(guān)，可塑性誘導(dǎo)后其 IPSP 信號相關(guān)性顯著提高；LTP 還伴隨 PC 樹突上 IPSP 分布變異性降低，而復(fù)雜尖峰空間分布無明顯變化。這表明該方法可在體內(nèi)光學(xué)觸發(fā)和監(jiān)測多個樹突及 PC 的可塑性。

圖4：體內(nèi)可塑性誘導(dǎo)觸發(fā)抑制反應(yīng)的LTP并使PC樹突的活性正常化

結(jié)論
總的來說，研究團隊開發(fā)的光遺傳學(xué) + 雙光子電壓成像技術(shù)，搭配優(yōu)化傳感器 JEDI-2Psub，終于能在清醒小鼠身上 “操控 + 觀測” 單個樹突的突觸可塑性，還能直接看突觸功效、長期追蹤特定細胞 —— 解決了過去難精準(zhǔn)研究的痛點。實驗還發(fā)現(xiàn)，GrC 與 CF 兩種神經(jīng)輸入共同激活時，會觸發(fā)抑制性突觸的長期增強（LTP），這種 LTP 可能幫大腦平衡興奮性信號、調(diào)控后續(xù)神經(jīng)可塑性，不過具體機制還需深入探索。這套方法不僅為完整大腦的突觸研究搭好技術(shù)框架，還能適配高速顯微鏡，未來進一步完善后，有望幫我們徹底摸清 “單個突觸可塑性” 和 “學(xué)習(xí)” 之間的關(guān)聯(lián)，為破解記憶密碼添關(guān)鍵助力。

參考文獻：Carolan J, Land MA, Lu X, Beau M, Kostadinov D, St-Pierre F, Clark BA, Häusser M. All-optical voltage interrogation for probing synaptic plasticity in vivo. Nat Commun. 2025 Oct 3;16(1):8834. doi: 10.1038/s41467-025-63867-4IF: 15.7 Q1 . PMID: 41044179; PMCID: PMC12494759.

創(chuàng)作聲明：本文是在原英文文獻基礎(chǔ)上進行解讀，存在觀點偏向性，僅作分享，請參考原文深入學(xué)習(xí)。

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