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劉明哲_大仲馬

前言

突觸是神經系統中至關重要的結構，它們連接神經元，形成神經環路并傳遞信息。通常，一個突觸涉及兩個神經元，突觸前神經元的軸突與突觸后神經元緊密接觸。然而，還有一種獨特的突觸類型，稱為自身突觸或自突觸。自突觸發生于同一個神經元，其軸突與自身胞體或樹突之間形成突觸聯系。

早在20世紀70年代，自突觸在兔新皮層中被首次發現。隨后，其他腦區亦發現自突觸的存在，包括新皮層、海馬、黑質和紋狀體等區域。盡管在培養神經元中自突觸非常豐富，但在完整的大腦中卻相對稀少，所以部分科學家曾懷疑它們可能是連接錯誤或結構冗余的結果。

然而，自突觸傾向于在某些類型的神經元中選擇性形成，并在調節自身活動中扮演重要角色，表明它們可能是大腦的基本構建模塊。自突觸不僅展示了神經元之間的復雜連接方式，也為我們揭示了神經元如何自我調節其功能的奧秘，進一步豐富了我們對大腦工作的理解。

圖片來源：Wang & Chen，Chinese Physics B (2015)

研究發現，在新皮層中，GABA能抑制性自突觸選擇性出現于快速放電（FS）中間神經元中，而在低閾值放電（LTS）細胞中則完全缺失。這些FS細胞中的自突觸具自我抑制功能，可調節后續動作電位（AP）生成時間的精確性和可靠性。

盡管形態學研究已經確認新皮層谷氨酸能興奮性錐體細胞（PCs）中存在自突觸，但它們的生理特性和功能仍然鮮為人知。

圖片來源：Pouzat & Marty，J Physiol. (1998)

2018年11月20日，《Nature Communications》雜志在線刊登了北師大舒友生課題組（現復旦大學）的重要工作。他們給急性皮層切片灌注了含有鍶離子（Sr2?）的溶液，這種離子可以影響突觸囊泡的釋放過程，從而延長其釋放時間，有助于識別形成自突觸的錐體細胞。

通過對嚙齒動物和人類新皮層錐體細胞進行膜片鉗記錄，他們發現自突觸主要存在于第5層錐體細胞中，而第2/3層錐體細胞中極少。此外，錐體細胞自突觸在發育過程中持續存在至成年。

令人驚訝的是，自突觸介導的突觸后反應巨大（約為常規錐體細胞-錐體細胞突觸的五倍），且僅由AMPA受體介導。以上發現表明，自突觸在某些類型的新皮層錐體細胞中選擇性地形成，展示了大腦內部連接的復雜性和精細調控。

那么，在完整的大腦中，除皮層之外的其他區域是否同樣存在自突觸呢？

圖片來源：尹璐萍（現西湖大學PI）等，Nat Commun. (2018)

作為大腦的“自適應巡航系統”，海馬結構（Hippocampal Formation, HPF）是中樞神經系統重要組成部分，在學習記憶和空間導航中扮演重要角色。海馬結構主要由三部分構成：海馬體本身、齒狀回（Dentate Gyrus, DG）以及下托（Subiculum）。在海馬體和下托中，主要的投射神經元也被稱為錐體細胞（PCs），它們的形態和電生理特征與新皮層中錐體細胞十分相似。

考慮到海馬結構錐體細胞與新皮層錐體細胞的相似性，海馬錐體細胞亦可能發生功能性的自突觸，這樣的自我突觸聯系可能在海馬相關學習、記憶過程中發揮重要作用。

那么，真的存在嗎？

圖片來源：Fenton，Nat Rev Neurosci. (2024)

前年9月，筆者建立一個神經環路領域愛好者討論組（一作、二作均在群內），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2000人)^_^

2025年6月05日，《The Journal of Neuroscience》雜志在線刊登（含水印版）復旦大學腦轉化研究院舒友生課題組的最新重要工作，他們在含有Sr2?的ACSF中對海馬錐體細胞進行了全細胞記錄，發現自突觸反應僅存在于海馬下托的一小部分錐體細胞中，并不存在于CA1、CA2和CA3區域。而且，海馬自突觸的出現時間恰好與錐體細胞在出生早期發育過程中的樹突/軸突的空間重疊情況相吻合。

本篇文章闡釋，自突觸的形成可能與神經元的形態和連接模式密切相關。這種特定的自突觸連接方式可能在海馬下托錐體細胞相關功能中起重要作用，為海馬相關復雜神經網絡提供了新視角，意義重大！

結果

1、海馬內，錐體細胞自突觸僅存在于下托

首先，為探究海馬錐體細胞是否具與新皮層相似的自突觸反應，作者采用膜片鉗電生理方法，記錄小鼠出生后第14至21天（P14-21）的海馬錐體細胞（圖1a；ACSF內含8 mM SrCl?（※ 重點，要考?。?/p>

在電壓鉗模式下，作者向記錄細胞施加電壓脈沖（20次，100 Hz），訓練間隔為15秒，以成功誘發反映動作電位（APs）生成的單獨動作電流。在下托一小部分錐體細胞中，給予刺激后可立即檢測到一系列興奮性突觸后電流（EPSCs），持續數百毫秒（圖1b）。訓練刺激后EPSC頻率顯著增加；倘若將訓練后EPSC頻率比baseline高50%的細胞視為自突觸錐體細胞，則有51.61%的下托錐體細胞（n = 48/93 PCs，11只小鼠）形成了自突觸（圖1c-d）；以較低的強度（5個脈沖，頻率為20 Hz）刺激下托錐體細胞亦可增加刺激后EPSC events（補充材料1-1）。

然后，作者行胞體-軸突全細胞記錄（dual patch）實驗，并結合雙光子軸突切除技術以隔離單一下托錐體細胞中的自突觸（圖1e）。軸突切除前，單個軸突刺激引起胞體產生動作電流；軸突切除后，胞體動作電流消失，不過其中一小部分下托錐體細胞中可記錄到自突觸興奮性突觸后電流（aEPSCs；圖1f），其幅度為-132.03 ± 16.05 pA，衰減時間常數為5.48 ± 0.45 ms（n = 7 PCs，3只小鼠；圖1g）。

以上結果表明，部分下托錐體細胞形成了功能性自突觸；那么，海馬其他亞區結果如何呢？

令人驚訝的是，海馬CA1、CA2與CA3錐體細胞均未記錄到功能性自突觸反應（圖2）。綜合以上結果，海馬錐體細胞自突觸選擇性地形成在下托而非其他亞區中。那么，下托錐體細胞的解剖學性質是否亦不相同呢？

筆者注：鍶是鈣的同族元素，具有相似的化學性質，但又不完全一樣。在含鍶離子的ACSF中，鍶離子可作用于鈣通道，但效應不如鈣離子，導致突觸囊泡的釋放過程收到影響，不能同步釋放。所以，鍶離子ACSF常用于研究單囊泡釋放性質。

圖1 海馬下托錐體細胞的自突觸反應

圖2 海馬其他亞區錐體細胞未見自突觸反應

2、下托錐體神經元胞體附近具有更多軸突分支

為回答以上問題，作者探究海馬錐體細胞的形態學，并對其軸突和樹突進行了Sholl分析。下托錐體細胞的軸突分支廣泛重疊于基樹突，形成自突觸接觸，自突觸接觸數量和自突觸反應強度呈弱正相關；相較之下，CA1、CA2和CA3錐體細胞的軸突在基樹突區域的分支和樹突化程度明顯更低，導致軸突與樹突之間的重疊較少（圖3a-d）。根據形態學結果，作者推測自突觸接觸的平均數量為每個細胞4.94 ± 3.35（n = 18 PCs，9只小鼠），軸突和樹突到胞體的平均路徑長度分別為261.99 ± 14.02 μm和90.79 ± 4.2 μm（n = 15 PCs，8只小鼠；圖3e-f）。

此外，下托錐體細胞的軸突和樹突的復雜性顯著高于其他錐體細胞。海馬內，在胞體附近（100 μm內），下托錐體細胞的軸突交叉、軸突-基樹突交叉、軸突分支數量均為最多（圖3h）。以上結果提示，軸突-樹突的廣泛重疊顯著增加了形成自突觸接觸的可能性。

那么，新皮層與海馬，哪里形成自突觸更早呢？

筆者注：Sholl分析在胞體周圍繪制同心圓（以胞體為中心），計算每個圓與樹突或軸突的交點數量，進而量化細胞突起的復雜性和形態特征。

圖3 下托錐體神經元胞體附近具有更多軸突分支

3、下托錐體細胞自突觸的發生早于mPFC

為回答以上問題，作者檢測青少年小鼠（P5-20）和成年小鼠（P60-70）中自突觸錐體細胞的比例。在P5-7時，58.57 ± 4.46%下托錐體細胞記錄到自突觸電流，而mPFC未記錄到（圖4a-c）。

此外，下托錐體細胞自突觸比例在P8到20期間下降到40%，并在年輕成年小鼠中進一步下降到23%；相比之下，mPFC錐體細胞自突觸比例在P5到20之間迅速增加，年輕成年小鼠中mPFC錐體細胞自突觸比例降至30%（圖4c）。

形態學方面，出生后mPFC錐體細胞軸突和樹突經歷了快速生長，基樹突變得更長；相比之下，下托錐體細胞的軸突和基樹突在出生后第一、第二周的復雜性遠高于mPFC，在第三周后無明顯差異（圖4d，e）。Sholl分析顯示，mPFC錐體細胞在P5-8（圖4f）到P11-13（圖4g）期間軸突和樹突交點的數量增加，而下托錐體細胞的交點數量大幅減少。

綜上所述，mPFC和下托錐體細胞的自突觸均顯示出發育變化，mPFC錐體細胞出現過度產生，而下托錐體細胞則在三周后經歷了消除。自突觸錐體細胞比例的變化與軸突、樹突復雜性的發育變化密切相關。

已知mPFC錐體細胞自突觸由AMPA受體而非NMDA受體介導，那么海馬下托呢？

圖4 下托錐體細胞自突觸的發生早于mPFC

4、下托錐體細胞自突觸反應由AMPA受體而非NMDA受體介導

為探究自突觸反應的機制，作者從Sr2?-ACSF中去除了Ca2?和Mg2?，添加了10 μM甘氨酸以強化負電位狀態下的NMDA電流，向浴液中添加0.5 μM TTX和50 μM PTX以阻斷電壓門控鈉離子電流和GABAA受體，采用Cs?內液記錄下托錐體細胞（圖5a）。

在單個電壓脈沖之后，作者觀察到了一系列aEPSCs，這些自突觸事件可被AMPA受體拮抗劑NBQX（10 μM）阻斷，但不能被NMDA受體拮抗劑APV（50 μM）阻斷；而mEPSC會受后者影響（圖5b-e），表明自突觸反應由AMPA受體介導。

此外，作者還探究了更早發育階段的結果。在P0-P1階段的下托錐體細胞中，APV顯著減少了mEPSCs的衰減時間（n = 6 PCs，2只小鼠；圖5f）。在P7-P9階段的mPFC錐體細胞中也發現相似結果（n = 15 PCs，3只小鼠；圖5h）。P10階段，自突觸已然出現在mPFC錐體細胞中，但aEPSCs衰減時間依然不受APV影響（圖5g）。

綜上，盡管NMDA受體在興奮性谷氨酸能突觸中大量存在（圖5h），但自突觸并不表達此類受體，即使是在自突觸形成的初期。自突觸傳遞完全由AMPA受體介導。

筆者注：NMDA受體在生理條件下會被鎂離子堵住。具體來說，當細胞膜處于靜息狀態或負電位時，鎂離子會進入NMDA受體離子通道并阻止其他陽離子通過。

在膜去極化時（如動作電位發生時），鎂離子會被排斥，從而允許鈣離子和鈉離子通過NMDA受體，激活后續的信號傳導過程。

圖5 下托錐體神經元自突觸反應由AMPA受體而非NMDA受體介導

5、自突觸優先形成于部分下托錐體細胞

過去研究顯示，自突觸選擇性地形成于投射到下丘腦等區域的部分新皮層第五層錐體細胞。最后，作者探究下托錐體細胞中的自突觸形成是否同樣表現出下游腦區特異性。

作為海馬的主要輸出亞區，下托錐體細胞主要投射到伏隔核（NAc）和杏仁核。前者參與獎勵和動機行為的調節，后者調節情緒和壓力。我們將Retrobeads注入到P12-14 C57小鼠的伏隔核（NAc）或基底外側杏仁核（BLA），以選擇性標記投射到這兩個腦區的下托錐體細胞（圖6a-c）。

他們發現，投射到NAc的下托錐體細胞（46.6%，n = 88 PCs，6只小鼠）形成自突觸的概率遠高于投射到BLA的（17.2%，n = 64 PCs，7只小鼠；圖6d-f）。投射到NAc和BLA的錐體細胞位于下托的近端區域，且自突觸錐體細胞并沒有明顯的聚集現象（NAc, n = 43 PCs，3只小鼠；BLA, n = 40個錐體細胞，3只小鼠；圖6g）。

綜上，下托錐體細胞的自突觸也表現出下游腦區的特異性，靶向NAc的錐體細胞形成自突觸概率更高，提示下托中的自突觸錐體細胞可能在和獎勵相關的行為中發揮重要作用。

圖6 自突觸優先形成于部分下托錐體細胞

本文的局限性

JNS雜志的文章向來嚴謹精悍，但也需要補充，先說幾小點：1、如果聚焦非皮層錐體神經元，除了海馬，自突觸也可能存在于BLA錐體神經元，甚至丘腦、脊髓等等。2、最后一個圖的結論略微有點理想化。海馬的投射非常廣泛，且很多神經元可以投射到多個腦區，單憑兩個主要下游很難做自突觸神經元的marker。此外，NAc神經類型很多，介導不同功能，所以投射到NAc的下托錐體細胞不一定參與同一種功能。3、圖4研究新皮層和海馬哪部分錐體細胞自突觸發生的早，自突觸發生早晚的生理意義不夠明確；感覺放中間有點突兀，不知道是不是放最后相對好一些。

OK，咱們再來說一些筆者期待作者做的：

1、如果自突觸很重要，那么他必然對神經元的影響很大，后面可以比較有自突觸的錐體細胞 vs 無自突觸的錐體細胞，研究兩類細胞的本底活性和神經興奮性，進一步闡釋自突觸的影響。

2、然后，就是自突觸的生理意義到底是什么？自突觸相關研究確實很有意思，但對于各類腦功能而言，它是必要的嗎？如果找到關鍵分子，就可以敲低此分子，進而研究自突觸對多種行為學的影響，探究其生理意義。

3、其實上一點非常難做：（1）這種從0到1的研究，關鍵分子十分難找，找到一個也不一定是最關鍵的，最怕很多分子都參與其中，哪一個都不是必要的（2）并非所有細胞都有自突觸，如果通過AAV注射等方式敲低找到的關鍵分子，它還可能影響其他神經元的功能，造成混淆，（3）自突觸的關鍵分子，很大概率同時參與普通突觸的形成，敲低后可能影響不形成自突觸的神經元，導致更難研究自突觸的功能，（4）不知道不同腦區、不同類神經元自突觸的關鍵分子是否相同，（5）目前的狀態，筆者建議給形成自突觸的神經元做patch-seq，盡可能找到自突觸形成的關鍵分子（即使找不到，也可以研究形成自突觸神經元的轉錄譜、電生理性質、投射譜是否具特異性），進而研究自突觸的生理意義。4、我們知道，神經活性是可以影響分子表達的；假設存在自突觸的神經元活性、興奮性更高；那么，是更高活性的神經元誘發自突觸形成呢，還是先有自突觸，導致神經活性提升呢（先有雞，還是先有蛋）？

總結

自突觸是由單個神經元形成的自身突觸，它們選擇性地出現在新皮層谷氨酸能錐體神經元的一個亞群中。海馬錐體神經元具有類似于新皮層錐體神經元的形態和電生理特征，但不清楚它們能否形成功能性自突觸。

本篇文章對來自任一性別小鼠急性切片中的海馬錐體神經元行全細胞記錄，記錄到的CA1、CA2和CA3錐體神經元均無自突觸反應，僅有一個亞群的錐體神經元（約50%）在下托中形成功能性自突觸，尤其是那些投射到NAc的神經元。此外，下托錐體神經元自突觸反應僅由AMPA受體介導，而不涉及NMDA受體，自突觸發生時間遠早于mPFC。本篇文章進一步闡釋了自突觸在中樞神經系統中的廣泛性與解剖學機制，為神經發育與神經生理學提供了研究基礎，意義重大！

參考文獻

Pan X, Pan R, He Q, Ke W, Shu Y. Functional autapses selectively form in a subpopulation of subicular pyramidal cells in hippocampal formation. J Neurosci. 2025 Jun 5:e2301242025. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2301-24.2025. Epub ahead of print. PMID: 40473474.

專家簡介

舒友生教授，1994年畢業于湖南師范大學生物教育專業；1999年獲中國科學院上海腦研究所神經生物學博士學位，師從痛覺研究領域巨擘趙志奇教授。1999-2006年，美國耶魯大學麻醉學系和神經生物學系（先后在Robert H. LaMotte 和David A. McCormick教授實驗室）博士后、Research Scientist。2006-2013年，中國科學院神經科學研究所建立神經網絡功能課題組，研究員。2013-2019年，北京師范大學腦與認知科學研究院、認知神經科學與學習國家重點實驗室，教授。2020年入職復旦大學腦科學轉化研究院。獲國家杰出青年基金、基金委重點項目、上海市浦江人才計劃等項目的資助。獲中科院青年科學家獎、優秀研究生指導教師獎等。致力于從神經元興奮性和神經環路電活動的角度探討腦功能機制和腦疾病發病機理，探索針對不同腦疾病的神經調控治療策略。原創性研究工作發表在Nature、Nature Neuroscience、Neuron、PNAS、PLoS Biology、Cell Reports等學術期刊上。