Science：揭示细胞内钙离子释放在突触可塑性中起着关键作用
来源：本站原创 2022-03-20 07:56
在一项新的研究中，为了测试ICR是否参与经验依赖的可塑性，来自美国哥伦比亚大学的研究人员重点研究了海马体CA1区的锥体神经元（pyramidal neurons of hippocampal area CA1, CA1PN）。CA1PN接受来自多个传入回路的兴奋性输入，携带着关于动物环境的互补信息流，这些信息流冲击着CA1PN树突棘的不同区段。
2022年3月20日讯/生物谷BIOON/---突触可塑性是神经元调整其数以千计的输入强度的过程，可使动物能够适应其环境。几十年的研究已确定了钙离子（Ca2+）是突触可塑性的核心介质。历史上，对钙离子在突触可塑性中的作用的大多数调查都集中在它通过电压门控通道的流入上，这些电压门控通道在突触输入使神经元去极化时开放。然而，大量的体外研究提示着钙离子的另一个来源---内质网（ER）---也可能在塑造突触可塑性方面发挥强大的作用。细胞中的内质网在储存大量的钙离子，并能通过细胞内钙离子释放（intracellular Ca2+ release, ICR）对强大的突触输入作出反应而释放这种储存。因此，在突触可塑性诱导过程中，内质网已准备好塑造钙离子的数量和空间分布。尽管它在突触可塑性中具有潜在的作用，但在哺乳动物的体内，ICR还从未被研究过。
在一项新的研究中，为了测试ICR是否参与经验依赖的可塑性，来自美国哥伦比亚大学的研究人员重点研究了海马体CA1区的锥体神经元（pyramidal neurons of hippocampal area CA1, CA1PN）。CA1PN接受来自多个传入回路的兴奋性输入，携带着关于动物环境的互补信息流，这些信息流冲击着CA1PN树突棘的不同区段。相关研究结果发表在2022年3月18日的Science期刊上，论文标题为“Compartment-specific tuning of dendritic feature selectivity by intracellular Ca2+ release”。
当动物探索一个新的环境时，CA1PN整合这些输入以形成空间调谐的接受域（receptive field），也称为位置域（place field），当动物占据一个特定的位置时，位置域表现为神经元放电。近期的研究描述了一种驱动位置域形成的体内可塑性机制：行为时间尺度可塑性（behavioral time-scale plasticity, BTSP）。BTSP是由一种较大的、长时间的树突去极化（高原电位）启动的，这种高原电位（plateau potential）最终增强了在与高原电位发生时间相对应的几秒钟的时间窗内收到的突触输入。
ICR塑造对空间导航很重要的接受域。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abm1670。
基于此，这些作者用CA1PN和BTSP作为模型系统来测试ICR是否参与了经验依赖的特征选择性的出现。他们实施了一系列基于单细胞电穿孔的工具，使得他们能够(i)利用条件基因缺失在单细胞分辨率下操纵ICR的细胞质影响，(ii)通过光遗传学手段诱导位置细胞，以及(iii)在空间导航期间同时对体细胞和树突的钙离子动态进行成像。
基因Pdzd8编码一种近期发现的内质网-线粒体连接蛋白，当被剔除时，会导致无限制的ICR。这些作者发现，在体内单个成年CA1PN中，Pdzd8的缺失大大增加了其顶端树突（apical dendrite）相对于CA1位置细胞胞体的空间共调谐水平，这一现象在基底树突（basal dendrite）中没有观察到，而在对照组CA1PN中，基底树突已与胞体高度共调谐了。最大化ICR导致更稳定地保留位置细胞的空间调谐，并改变其顶端树突的整合特性以形成输出水平的接受域。
综上所述，在特征选择性出现的过程中，ICR在塑造CA1PN的树突整合特性方面起着关键的以前未被描述的作用。因此，ICR与体内的回路水平的结构合作，以一种区室特异性的方式促进行为相关形式的突触可塑性的出现。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Justin K. O'Hare et al. Compartment-specific tuning of dendritic feature selectivity by intracellular Ca2+ release. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm1670.
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