愛出輝耀的美杜莎

在大腦的神秘世界中，神經網絡的穩定活動就像一根看不見的絲線，維系著神經環路的正常運作。這種穩定性在我們的學習和經驗積累過程中顯得尤為重要。

神經元，作為信息傳遞的基本單位，采用多種方式來調節自己的活動，這包括改變自身的興奮性，以及調節它們接收突觸信號的強度與數量。這些機制的具體運作，往往與神經元的類型密切相關。

圖片來源：The week

讓我們把目光聚焦到大腦皮層。在這里，單個神經元的活動受到興奮和抑制之間微妙平衡的影響。此平衡通過兩類神經元來實現：谷氨酸能錐體神經元和GABA能中間神經元。

錐體神經元的興奮與抑制性信號的輸入保持穩定——皮層興奮性輸入增強，錐體神經元的抑制性輸入也會相應增強，形成平衡。這種依賴于細胞活動的抑制性連接重組，需要細胞內部基因的表達水平發生變化，而這些變化又由錐體細胞向其他細胞發出的逆向信號所介導。

盡管中間神經元可能表現出類似形式的可塑性，但皮層GABA能細胞的異質性限制了它們形成相似機制。至于這些中間神經元是如何適應活動變化的，這個問題目前仍然是一個未解之謎，等待著科學家們去探索和揭示。

圖片來源：Mingshan Xue等，Nature (2014)

快速放電的籃狀細胞是小鼠新皮層中最豐富的GABA能中間神經元類型，它們表達小清蛋白（PV）。PV+中間神經元對錐體神經元的興奮-抑制輸入平衡發揮關鍵作用。研究顯示，PV+中間神經元調節依賴經驗的神經可塑性。然而，調節單一PV+中間神經元可塑性的分子、細胞機制，尚未可知。

圖片來源：Smitha Karunakaran等，Nature Neuroscience (2016)

2025年4月30日，《Nature》雜志在線刊登了倫敦國王學院Oscar Marín課題組的最新重要工作。他們發現，激活S1內單一PV+中間神經元后，胞內Vgf表達上調，引起其他它PV+中間神經元對其突觸連接增加，進而強化其抑制性輸入，以實現穩定性平衡。

該研究首次發現單一PV+中間神經元穩定性可塑性的調控作用，并闡釋其分子機制，為我們從機制上理解新皮層突觸可塑性提供理論基礎，意義重大！

前年9月，筆者建立一個神經環路領域愛好者討論組，我在群內分享最前沿的文章，介紹作者科研背景、研究興趣以及文章技術亮點。有興趣的小伙伴可以掃碼添加筆者微信以進入討論組，目前討論組正在如火如荼地進行(已達1900人)^_^

01

激活PV+中間神經元會強化此神經元的抑制性輸入

過去的研究中，有關新皮層穩定性可塑性的研究主要依賴于感覺剝奪范式。但在這些范式中，操縱網絡整體活動會妨礙對單個神經元如何響應其活動變化的研究。

為克服這一限制，作者結合少量標記與化學遺傳學方法，只激活一小部分PV+中間神經元。他們向新生PV-Cre小鼠的初級體感皮層（S1）2/3層注射少量AAV-DIO-hM3Dq（150 nl, 10 nl/s），使每只小鼠僅感染少量PV+中間神經元，進而講神經網絡帶來的群體影響最小化（圖1a-c；補充材料1）。他們用CNO處理年輕成年小鼠兩天，并使用全細胞電生理技術記錄hM3Dq+/PV+中間神經元接受的突觸輸入。

作者發現，激活hM3Dq+/PV+中間神經元后，在這些神經元記錄的mEPSCs幅度和頻率未受影響，而mIPSCs幅度與頻率均顯著增加，興奮/抑制（E/I）比率下降（圖1d-h）。與對照組相比，hM3Dq+/PV+中間神經元的抑制性突觸簇密度相顯著增加（圖1i-j；補充材料2）。以上結果表明，激活S1 PV+中間神經元會增加這些細胞的抑制性突觸數量進而強化抑制性輸入。

接下來，作者研究抑制PV+中間神經元對其抑制性輸入的影響。為此，作者引入hM4Di。給予CNO后， hM4Di+/PV+中間神經元mEPSCs的幅度和頻率無變化，mIPSCs頻率降低，E/I比率增加（補充材料2）。

綜上所述，調節PV+中間神經元活動會導致這些細胞接收的抑制性輸入發生補償性變化，以實現平衡性穩定。那么，平衡性穩定相關抑制性輸入的來源是什么呢？

筆者注：神經網絡，真的厲害^_^

圖1 激活PV+中間神經元會強化此神經元的抑制性輸入

02

激活PV+中間神經元強化PV-PV抑制性輸入

過去研究顯示，PV+中間神經元接收三種中間神經元的抑制性投射：其他PV+中間神經元、SST+中間神經元和VIP+中間神經元。為探究哪類神經元參與PV+中間神經元抑制性輸入變化，作者結合光遺傳、化學遺傳與膜片鉗技術，光遺傳學激活PV+、SST+、VIP+軸突末梢，記錄hM3Dq+/PV+中間神經元。

為此，作者引入PV-Flp/RCLChR2/+（Flex/DIO-ChR2）鼠，并與PV-Cre、SST-Cre、VIP-Cre小鼠交配，得到子代，注射編碼Flp依賴性hM3Dq的AAV（圖2a）。在CNO處理的小鼠中，hM3Dq+/PV+中間神經元的光誘發抑制性突觸后電流（oIPSC）的幅度與電荷顯著增加（圖2c,d）。而且，此強化作用并非由所有PV+突觸的全局突觸前增強引起，因為錐體神經元的sIPSCs或oIPSC無變化（補充材料4-5）。

為證實上述現象，作者還使用PV+特異性突觸前標記物突觸小體素-2（SYT2）量化了PV+中間神經元與hM3Dq+/PV+中間神經元的突觸連接。與hM3Dq?/PV+中間神經元相比，接觸hM3Dq+/PV+中間神經元的PV+突觸簇的密度顯著增加（補充材料6）。綜上，提高單一PV+中間神經元活動水平會導致這些細胞從其他PV+中間神經元接收的抑制性突觸數量顯著增加。

再然后，作者探究SST+和VIP+中間神經元在其中的貢獻，發現hM3Dq+/PV+中間神經元的oIPSC無明顯變化（圖2e-j）表明提升PV+中間神經元的活動水平強化了PV–PV連接，而非來自SST+或VIP+中間神經元的輸入。

那么，其分子機制若何呢？

圖2 激活PV+中間神經元強化PV-PV抑制性輸入

03

激活PV+中間神經元引起Scg2和Vgf轉錄上調

為回答以上問題，作者引入PV-Flp/Neurod6-Cre小鼠，以實現S1 PV+中間神經元的特異性稀疏標記。Vehicle或CNO處理48小時后，對hM3Dq+/PV+中間神經元行RNA測序（圖3a）。作者發現了51個差異表達基因（DEGs），其中37個上調，14個下調（圖3b）。在上調基因中，作者識別出幾個即刻早期基因（IEGs），如Fos、Fosb和Fosl2，這與CNO處理的hM3Dq+/PV+中間神經元活動增加一致。

而后，他們根據多個標準對DEGs進行了排序——包含表達倍數變化、生物學重復性、預測的蛋白質-蛋白質相互作用強度及蛋白質分泌特性（圖3c，附表1）。其中，排名前列的候選基因包括Adamts1（編碼一種具有血小板黏附蛋白結構域的蛋白酶，負責切割圍繞PV+中間神經元的膠凝素）、Lgals1（編碼一種在PV+籃細胞中發育富集的半乳糖凝集素家族糖蛋白、Secretogranin II（Scg2，神經肽編碼基因）和Vgf（神經肽編碼基因），這些基因均與突觸可塑性緊密相關。通過STRING進行蛋白質-蛋白質相互作用網絡分析結果顯示，許多DEGs構成了一個富含IEGs和其他轉錄因子的活躍節點，以及兩個主要候選基因Scg2和Vgf（圖3d）。

結合以上結果，作者確認Scg2和Vgf在激活PV+中間神經元后轉錄水平上調，他們還使用單分子熒光原位雜交技術進行了驗證（圖3e,f；補充材料7）。那么，這兩個基因功能若何呢？

圖3 激活PV+中間神經元引起Scg2和Vgf轉錄上調

04

Vgf介導PV+中間神經元中的抑制性可塑性

為探究Scg2和Vgf是否在可塑性期間介導PV-PV突觸連接的變化，采用shRNA（shScg2、shVgf和作為對照的shLacZ）下調這些基因的表達（補充材料7）。

正如預期，注射shLacZ-hM3Dq且經過CNO處理的小鼠中， PV+中間神經元SYT2+/gephyrin+點密度顯著增加，這一效應在shScg2-hM3Dq組小鼠中減弱，在shVgf-hM3Dq組小鼠中完全消失（圖4a-c；補充材料8）。以上結果表明，上調Scg2與Vgf（尤其是Vgf）的表達水平是響應hM3Dq+/PV+中間神經元活動變化形成PV-PV突觸所必需的。

隨后，作者測試在沒有未激活條件下，Vgf的過表達是否足以促進PV–PV突觸連接的強化。為此，作者采用AAV-DIO-VGF-mCherry，將其注射到P50 PV-Cre小鼠的S1區，并統計注射后十天內抑制性突觸密度的變化（圖4d；補充材料9）。與鄰近對照細胞相比，過表達VGF-mCherry的PV+中間神經元的PV+突觸密度顯著增加（圖4e,f；補充材料9），但mEPSCs或mIPSCs的幅度和頻率無明顯變化，抑制性PPR亦不變（補充材料9），這表明VGF的過表達并不影響突觸強度。

這些實驗表明，在不激活神經元條件下，VGF的過表達足以強化PV中間神經元之間的結構連接。然而，這些連接的功能性可塑性似乎需要其他依賴活動的因素。

筆者注：結構可塑性變化不一定影響功能可塑性變化。

圖4 Vgf介導PV+中間神經元中的抑制性可塑性

05

條件恐懼上調海馬PV+神經元VGF表達并強化PV-PV突觸連接

最后，為探究PV-PV連接性的調節過程在生理條件下是否同樣發生，作者采用情境相關條件恐懼模型（cFC），部分小鼠CA1 PV+中間神經元在cFC后2小時表達FOS（補充材料10），此范式能夠以一定時間窗口激活了一部分PV+中間神經元。

作者在cFC 2小時后量統計了被激活(FOS+)和相鄰未被激活(FOS-)PV+中間神經元PV+/SYT2+/gephyrin+突觸密度，發現FOS+/PV+中間神經元PV+/SYT2+/gephyrin+突觸數量更少（圖5a-c）。

由于FOS在神經元活動增加后僅短暫表達，作者使用Cre依賴性強活動標記（CRAM）來標記cFC激活的PV+中間神經元。他們發現，cFC可引起被激活的PV+細胞內Vgf表達上調，PV-PV突觸連接降低（圖5d-h）。

綜上，在條件恐懼引起的神經網絡激活過程中，海馬CA1內PV+中間神經元內Vgf表達上調，引起PV+抑制性突觸連接水平降低。

筆者注：前面都是S1，為何突然做海馬呢？前面電生理現象那么好，為何最后都是解剖學結果呢？

圖5 條件恐懼上調海馬PV+神經元VGF表達并強化PV-PV突觸連接

本文的局限性

本篇文章十分精彩，但并非完美無瑕：

1、機制方面，咱們看圖2，也是本篇文章的核心內容。作者認為激活PV神經元引起抑制性輸入的增強主要來源于PV局部環路。首先，作者并未排除其他腦區的抑制性輸入；其次，作者記錄的是PV神經元，激活的還是PV神經元，盡管作者闡述CNO作用并不改變PV-錐體的oIPSC，不代表CNO作用不改變PV-PV連接；也就是說，PV-PV連接的增強，可能由突觸后神經激活引起，也可能由hM3Dq+/PV+神經網絡激活的突觸前引起；既然作者認為SST和VIP神經元無作用，那么可以在P1 PV-Flp/SST-Cre or VIP-Cre鼠的S1一起注射DIO-hM3Dq，在D56 CNO作用兩天，再看看SST/VIP-PV的抑制性投射是否發生改變。

2、敲低Vgf或過表達VGF同樣可能強化S1內SST-PV、VIP-PV或其他腦區GABA能神經元-PV的抑制性突觸連接。

3、既然VGF過表達后，PV-PV突觸增加但mIPSC不變；那么，敲低Vgf影響PV-PV突觸數量是不具備信服度的，需要進一步探究mIPSC與oIPSC；最后的海馬部分也需要通過電生理驗證mIPSC與oIPSC。

4、前面都是S1，圖5突然做海馬，有點突兀。

5、技術方面，10 nl/s的病毒注射速度是不是有點太快了？

感覺本文，圖1-2精彩紛呈，圖3-4中規中矩，圖5戛然而止，“模板爛尾小說”。

總結

神經活性的穩態平衡至關重要，可確保神經網絡的正常運作。在新皮層中，興奮性錐體神經元和抑制性中間神經元表現出強烈的穩定性可塑性，然其機制未明。本篇文章結合基因敲低與過表達、膜片鉗及突觸染色方法，闡釋了一種關鍵的細胞過程，S1 PV+中間神經元能夠通過此過程適應其活動水平的變化。

本文首次發現，單一PV+中間神經元活動變化誘發了這些細胞接收的抑制性突觸數量和強度的雙向補償性調整，此過程主要源自其他PV+中間神經元，Vgf在其中至關重要。該研究首次揭示編碼神經肽的基因在調節成年小鼠新皮層中PV+中間神經元之間的突觸連接中的核心作用，意義重大！

參考文獻

Selten M, Bernard C, Mukherjee D, Hamid F, Hanusz-Godoy A, Oozeer F, Zimmer C, Marín O. Regulation of PV interneuron plasticity by neuropeptide-encoding genes. Nature. 2025 Apr 30. doi: 10.1038/s41586-025-08933-z. Epub ahead of print. PMID: 40307547.