Science：揭示听觉恐惧条件反射可诱发区室化的树突可塑性

学习是由经验依赖的神经元功能可塑性介导的。尽管科学家们对体外的突触和树突可塑性有详细的了解，但是在体内学习引起的功能变化大多是通过使用以神经元胞体（soma）为中心的方法，如单元记录或胞体钙离子活动成像来评估。然而，这些方法并不能揭示树突信号传导的复杂性及其受到局部神经回路的调节。此外，树突是功能独立的亚细胞区室，它们动态地整合传入的信息，从而影响神经元的输入-输出功能，因此出现了这样的问题：在学习过程中是否发生区室化的可塑性，以及在行为动物中哪些机制最终控制胞体输出。

在一项新的研究中，为了研究体内树突功能和可塑性，来自瑞士弗雷德里希-米歇尔生物医学研究所和巴塞尔大学的研究人员重点研究了外侧杏仁核（lateral amygdal, LA），这是一个皮层下大脑结构，是经典听觉恐惧条件反射（一种快速而强健的联想学习形式）的核心。相关研究结果发表在2022年4月15日的Science期刊上，论文标题为“Compartmentalized dendritic plasticity during associative learning”。

在听觉恐惧条件反射（auditory fear conditioning）过程中，听觉条件刺激（auditory conditioned stimulus, 缩写为CS，通常是纯音或白噪声）与厌恶无条件刺激（aversive unconditioned stimulus, 缩写为US，通常是足底电击）配对，这导致在听觉突触输入到LA主神经元（principal neuron, PN）上后诱发海扁活动（Hebbian activity）依赖的突触强化（synaptic potentiation）。这一观点近期被一些报道了类似比例的神经元在恐惧条件反射时上调和下调它们的CS反应的研究所扩展，这提示着恐惧学习涉及更多不同形式的可塑性。然而，这些研究依赖于胞体活动的测量，而树突活动和可塑性在联想学习（associative learning）期间尚未被探讨。

为了对经历经典恐惧条件反射的清醒小鼠大脑深处的杏仁核PN的树突和胞体的活动进行成像，这些作者使用了基于梯度折射率透镜的高分辨率双光子显微镜进行了多天的观察。他们发现感觉刺激诱发了受到表达靶向树突的生长抑素（SST+）的中间神经元调控的区室化树突反应。PN树突的自发输入受到SST+中间神经元的抑制，而显著感觉刺激（salient sensory stimuli）暂时减轻SST+中间神经元介导的对PN树突的抑制，这可能是通过VIP+中间神经元进行的。在大多数情况下，这触发了高度相关的胞体和树突感觉反应。然而，感觉输入也可仅导致树突反应，而没有伴随的胞体输出，这表明LA PN的树突可以整合局部的听觉输入。

解除SST+中间神经元介导的树突抑制是在条件反射过程中放大树突CS反应所必需的，这与通过SST+中间神经元解除抑制打开一个时间窗口的观点是一致的，在这个时间窗口期间，CS输入能够在同时暴露于US时诱导联想性的树突可塑性。

恐惧条件反射诱发了区室化的可塑性。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abf7052。

恐惧条件反射诱导胞体CS反应的双向可塑性，这种双向可塑性与行为水平的学习相关。平均来说，在胞体CS反应上调或下调的神经元中，树突CS反应增加。然而，恐惧条件反射调节也增加了给定神经元的树突树（dendritic tree）上CS反应的差异，这表明在学习过程中，并非所有树突都经历了类似的可塑性水平。此外，显示CS反应上调的树突棘（dendritic spine）更可能位于学习后CS反应增加的树突上。最后，即使CS反应下调的神经元的树突CS反应得到强化，它们的胞体反应也因表达Parvalbumin（PV+）的中间神经元介导的胞体周围抑制（perisomatic inhibition）增强而减少，从而抵消了学习引起的突触驱动的增加。

综上所述，这些研究结果表明，LA PN以区室化方式局部整合树突感觉输入，而且恐惧条件反射诱导的树突和胞体感觉反应的可塑性并不偶联在一起，即解偶联。区室化的树突整合和树突可塑性与胞体可塑性的解偶联都是由专门靶向树突或胞体周围区域---突触后PN的两个不同的亚细胞区室---的局部抑制性回路调节的。对区室化的树突和胞体可塑性的调节增加了杏仁核回路的计算能力，可能增强了动物在面对危险时的行为灵活性。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Simon d’Aquin et al. Compartmentalized dendritic plasticity during associative learning. Science, 2022, doi:10.1126/science.abf7052.