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學習與記憶包括信息的獲取，儲存和提取。為了學到和記憶一件事情，我們需要對各種外界的感覺進行整合。隨著更多的神經科學技術，如光遺傳學的發展，我們能夠通過標記知道記憶的印跡存在于哪里，即記憶印跡細胞engram cells，但是神經元如何在受體水平上發生突觸變化以形成記憶印跡尚不清楚，尤其是在體內記錄到這一變化過程，受限于現有技術，則更加困難。近日，北京大學張勇課題組于Neuron雜志發表工作Dynamic redistribution of AMPA receptors toward memory-related neuronal ensembles in mice barrel cortex during sensory learning，結合RAM細胞標記技術，雙光子成像，光遺傳，化學遺傳，電生理以及特有的AMPA-SEP成像技術，探索了barrel cortex感覺記憶相關印跡細胞的突觸的AMPA受體的重分布，進一步加深了對感覺學習過程中細胞層面和突觸層面變化的理解。

圖1 通過RAM系統標記參與感覺記憶提取的桶狀皮層神經元

首先研究者通過建立小鼠C2胡須檢測行為任務模型，結合RAM系統對桶狀皮層中參與感覺學習的活躍神經元進行特異性標記。行為學結果表明，學習后的表現依賴于胡須感覺輸入，并且在抑制C2柱區域神經元活動后，小鼠表現顯著下降，證明桶狀皮層在該任務中的關鍵作用。在一段時間的訓練后，任務成功率高于75%，作者利用RAM系統成功在記憶提取階段特異性標記了相關神經元，且標記率在記憶提取組遠高于環境暴露組和單純胡須刺激組，驗證了RAM系統在識別感覺學習相關神經元中的高靈敏度和特異性。

圖2 桶狀皮層RAM+神經元集合的活動參與感覺記憶的提取

為了驗證RAM系統標記的神經元是否具有功能性，作者使用光遺傳和化學遺傳方法進行因果干預。結果表明，光激活RAM+神經元可在無外部刺激的條件下誘發舔水行為，并且該行為表現與學習任務中的準確率呈正相關；而在隨機標記或控制組中（包括僅表達EGFP組，不進行關聯學習組以及home cage對照）則無此效應。同時，通過表達抑制型受體hM4D(Gi)并給予CNO藥物，抑制RAM+神經元的活動顯著削弱了小鼠在檢測任務中的表現，進一步支持這些神經元在感覺記憶提取中具有因果作用。

圖3 感覺學習導致barrel cortex的層選擇性激活模式

之后作者揭示了感覺學習在barrel cortex誘導的層選擇性(layer-specific)神經元激活模式。學習組中，L2/3層中活躍神經元數量顯著高于未訓練組，且以興奮性CaMKIIα+神經元為主，而抑制性神經元（PV、SOM、VIP）比例則相對下降。此外，利用腦片全細胞膜片鉗記錄發現L2/3 RAM+神經元在學習后表現出更高的興奮性，表現為更強的放電頻率以及較低的抑制性突觸輸入（mIPSC頻率與幅度均下降），而L5層則未觀察到明顯的變化（僅有RAM+神經元中PV神經元的比例下降）。這些結果表明，感覺學習主要激活L2/3層的興奮性神經元，并引發其內在興奮性及突觸輸入的顯著改變。

圖4 在L2/3 的RAM+和RAM-神經元中，感覺學習誘導不同的樹突棘密度和形態學的改變

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之后作者通過形態學與電生理分析揭示了感覺學習對L2/3 RAM+神經元突觸結構和功能的特異性影響。形態重構顯示，L2/3 RAM+神經元的脊突密度和頭部直徑均顯著高于RAM?神經元，而L5層則未觀察到類似差異。進一步的電生理結果表明，L2/3 RAM+神經元具有更高頻率和幅度的mEPSC，提示其接收的興奮性突觸輸入增強。這些結果說明，感覺學習通過增強突觸輸入，在L2/3 RAM+神經元中實現了特異性的功能重塑。

圖5 感覺學習選擇性誘導L2/3 RAM+神經元樹突棘結構改變

那么如何實現在體情況下長時程觀測感覺學習過程中突觸的結構改變呢？作者利用雙光子活體成像技術，動態觀察了學習過程中文突觸結構的變化，特別是在RAM+神經元中的表現。研究發現，訓練過程中RAM+神經元的突觸棘體積顯著增大，顯示出突觸結構的增強，而RAM?神經元則變化較小。這些結構變化在未訓練組中未觀察到，說明突觸結構的可塑性是由學習過程誘導的，且具有神經元選擇性。該結果強調了L2/3 RAM+神經元在突觸水平對學習的特異響應。

圖6 感覺學習誘導RAM+和RAM -神經元樹突棘上GluA1上膜的變化

之后作者進一步探討了突觸可塑性的分子基礎，即AMPA受體亞基GluA1在突觸表面的動態分布（sGluA1）。這里作者采用了約翰霍普金斯大學Richard Huganir課題組開發的SEP-GluA1 KI轉基因鼠，其原理是在AMPA受體的GluA1亞基連接pH敏感熒光蛋白，當AMPA受體上膜時發生熒光變化。在訓練組中，RAM+神經元的突觸sGluA1強度隨訓練時間顯著升高，而RAM?神經元則呈下降趨勢。行為表現與sGluA1信號強度變化呈正相關，表明突觸后AMPA受體的富集是學習引發突觸增強的重要機制。此外，RAM+神經元中sGluA1增加的樹突棘比例與學習表現密切相關，強調了受體重分布在學習相關神經元中的功能意義。

最后，作者探索了感覺學習是否改變barrel cortex內層級之間的突觸連接強度。通過誘導L4至L2/3的時序依賴型LTP（t-LTP），即電刺激L4 10ms后給予L2/3配對電刺激，發現訓練后RAM+神經元與L4的連接已處于增強狀態，表現為LTP誘導困難（即“LTP遮蔽”現象）。進一步的e-mEPSC和PPR實驗表明，這種突觸增強主要源于突觸后機制，而非突觸前釋放概率的變化。該結果表明，學習通過增強L4→L2/3 RAM+神經元之間的突觸連接，促進了學習相關信息在特定神經元回路中的鞏固。

總結

本研究通過RAM系統精確標記并操控小鼠桶狀皮層中參與感覺學習的活躍神經元群體，揭示了感覺學習在L2/3層誘導特異性神經元激活、突觸結構重塑及AMPA受體（GluA1）再分布的全過程。研究發現，L2/3 RAM+神經元在學習中不僅表現出更強的突觸后興奮性輸入，還與行為表現密切相關，突顯其在感覺記憶形成中的關鍵作用。該工作將細胞、突觸和分子機制緊密連接，深化了我們對感覺學習與記憶痕跡（engram）形成的理解，為研究神經環路可塑性及其調控提供了新思路。