一種全光學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，英國倫敦大學學院沃爾夫森生物醫(yī)學研究所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規(guī)則提供了藍圖。

介紹
電信號是神經元的 “內部語言”，跨膜電位變化（如突觸電位、動作電位）是神經元接收和傳遞信息的基礎，要了解神經元及網絡的信息處理與存儲，測這些信號很關鍵，尤其長期測基因明確神經元的突觸動態(tài)，對驗證記憶存儲理論很重要。但測完整大腦中單個神經元的電壓動態(tài)很難，傳統(tǒng)細胞內記錄方法有局限，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），讓直接測體內基因明確神經元的電壓信號有了可能。

這里提出一種新方法，結合優(yōu)化的 GEVI、雙光子成像、光遺傳學和感覺刺激，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)了復雜尖峰的調節(jié)情況及相關突觸電位。將顆粒細胞激活與感覺誘發(fā)的攀爬纖維信號配對（這是小腦學習的關鍵機制），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)神經科學實驗室推廣，能快速、無創(chuàng)地研究清醒行為動物神經元網絡的可塑性誘導和記憶存儲。

結果
01 JEDI-2Psub 體內雙光子電壓成像和光遺傳學揭示了小腦中閾值下膜電位動力學
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 與電壓傳感結構域間插入色氨酸。優(yōu)化后指標單尖峰電壓響應更大、光穩(wěn)定性更好，且電壓敏感性轉向更負膜電位，對靜息膜電位附近電壓變化的響應提升 3.5 倍（這是報告突觸后電位的關鍵），該優(yōu)化指標被命名為 JEDI-2Psub，突出其對亞閾值響應的更高靈敏度。
 

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的熒光響應比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 + 光遺傳學激活顆粒細胞（GrC）輸入 + 感覺刺激驅動攀爬纖維（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 驅動的復雜尖峰特征。

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，其中興奮性反應的波形與自發(fā)復雜尖峰幾乎一致，確認由 CF 驅動。光遺傳學激活 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，證實是 GABA 介導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、PC 復雜尖峰在記錄全程及不同小鼠間無顯著變化。綜上，該方法能全光學誘發(fā)并解析 IPSP。
 

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

02 樹突狀反應的時空分析區(qū)分突觸驅動的 Ca 和再生的 Ca2+事件
為探究局部網絡中電壓信號的空間關系，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)同步復雜尖峰，其峰值潛伏期和感覺誘發(fā)概率高度相關，說明它們屬于同一功能 “微區(qū)”，但尖峰幅度無顯著關聯(lián)，表明信號在相鄰細胞中獨立調節(jié)；同時，相鄰 PC 樹突中感覺或光遺傳學誘發(fā)的抑制性突觸后電位（IPSP）振幅、峰值潛伏期均密切相關，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，可能因抑制性突觸輸入激活離散不均導致。且復雜尖峰與 IPSP 均和基線熒光無關，證明變化具有生理性。
 

圖3：PC樹突電壓響應的時空分析區(qū)分突觸驅動和再生Ca2+事件

03 體內可塑性誘導誘導 LTP 并使 PC 樹突的活性正�；�
研究團隊用全光學方法測量突觸可塑性：將光遺傳學激活的顆粒細胞（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 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，可塑性誘導后其 IPSP 信號相關性顯著提高；LTP 還伴隨 PC 樹突上 IPSP 分布變異性降低，而復雜尖峰空間分布無明顯變化。這表明該方法可在體內光學觸發(fā)和監(jiān)測多個樹突及 PC 的可塑性。

圖4：體內可塑性誘導觸發(fā)抑制反應的LTP并使PC樹突的活性正�；�

結論
總的來說，研究團隊開發(fā)的光遺傳學 + 雙光子電壓成像技術，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 —— 解決了過去難精準研究的痛點。實驗還發(fā)現(xiàn)，GrC 與 CF 兩種神經輸入共同激活時，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、調控后續(xù)神經可塑性，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 “學習” 之間的關聯(lián)，為破解記憶密碼添關鍵助力。

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.

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