星形胶质细胞Ca2+通过限制运动学习期间树突重复活动防止突触去增强

2025-11-27 Thu
背景介绍与研究缘起在神经科学领域，学习与记忆过程依赖于大脑中复杂的细胞活动调控。以往大量研究聚焦于神经元之间的突触可塑性（synaptic plasticity），例如长时程增强（long-term potentiation, LTP）和长时程抑制（long-term depression, LTD），作为神经环路重塑的物质基础，推动了神经科学的发展。然而，近年来一个新兴领域——星形胶质细胞（astrocytes）对大脑功能的影响日益受到关注。星形胶质细胞不仅仅是神经元的“配角”，它们通过调节神经元代谢、缓冲细胞外离子环境、摄取神经递质以及分泌调节性分子等方式，积极影响着神经元活动和突触传递，但这些作用在学习与记忆等行为层面上的具体机制，仍未被彻底揭示。
尤其是在体内活体条件下，星形胶质细胞钙离子（Ca2+）活动是否直接参与并决定学习相关的突触可塑性，仍然存在诸多未知。虽然有体外脑片或细胞培养为基础的大量实验提示星形胶质细胞Ca2+活化可通过释放ATP、谷氨酸、D-丝氨酸等信号分子调节突触功能，但真实大脑条件下这一调控网络尚存争议，实验技术和研究方法的限制也使得不同研究结果相互矛盾。
进一步地，一些遗传或药理手段改变星形胶质细胞功能，如阻断乳酸穿梭、谷氨酸运输、IP3R2（肌醇三磷酸受体2）介导Ca2+释放、G蛋白偶联受体（GPCR）激活，显示对学习和记忆的影响存在高度可变性，有些导致行为障碍，有些则没有可检测的表现，这折射出其复杂调控机制。
本研究准确聚焦于一个核心科学问题：在体内真实学习过程中，在活体小鼠运动学习（motor learning）中，星形胶质细胞Ca2+升高是否决定了突触强化/削弱的动态，为运动相关记忆的形成提供保障？作者们旨在揭示星形胶质细胞活动的调控机制、其对学习中突触塑性的直接影响及分子信号通路——填补神经科学中细胞间互动研究的重大空白。
论文来源与作者信息这篇题为《astrocytic ca2+ prevents synaptic depotentiation by limiting repetitive activity in dendrites during motor learning》的原创研究论文发表在2025年11月的《Nature Neuroscience》杂志（volume 28, 2296–2309），DOI为：https://doi.org/10.1038/s41593-025-02072-4。主要作者包括Baoling Lai、Deliang Yuan、Zhiwei Xu、Feilong Zhang、Ming Li、Alejandro Martín-Ávila、Xufeng Chen、Kai Chen、Kunfu Ouyang、Guang Yang、Moses V Chao以及Wen-Biao Gan。作者团队分别来自New York University Grossman School of Medicine、Shenzhen Bay Laboratory、Peking University Shenzhen Graduate School、Beijing Normal University、Columbia University Irving Medical Center、Lingang Laboratory等国际顶级研究机构，体现了本研究的世界级学术背景和多学科融合特质。
研究流水线与实验设计详述1. 运动学习诱发星形胶质细胞钙信号动态的检测研究伊始，作者利用体内双光子成像（two-photon microscopy）技术在活体小鼠运动皮层区（motor cortex）实现高度空间和时间分辨的星形胶质细胞Ca2+动态监测。采用腺相关病毒（AAV5）和星形胶质细胞特异性GFAP-C1D启动子驱动表达遗传编码钙信号指示蛋白GCaMP6f，并基于薄颅窗策略，成功记录到皮层层1区星形胶质细胞胞体和细胞过程在小鼠跑步（treadmill training）期间的Ca2+瞬变（transients）。
实验涵盖至少五组小鼠，分别记录并统计15次训练过程中，每次跑步开始后星形胶质细胞Ca2+上升动态、峰值时延、半宽度等参数。作者还通过基因工程小鼠（GLAST-creER;PC::G5-tdt）交叉策略表达另一种Ca2+指示蛋白gcamp5/tdTomato，排除了病毒感染诱发Ca2+升高的可能——仅运动训练本身即可引发星形胶质细胞Ca2+动态，增强了结果的可信度。
行为学方面，实验还同步记录并量化小鼠前肢步伐宽度变化，精准衡量运动训练对行为表现改善的贡献，将细胞信号与动物运动能力提升有效关联。
2. 星形胶质细胞Ca2+升高的信号机制解析为进一步解析运动训练导致星形胶质细胞Ca2+升高的机制，研究团队采用多种药理干预和遗传工具：
神经元活动阻断实验：局部应用钠通道阻断剂tetrodotoxin（TTX）显著降低皮层区星形胶质细胞Ca2+升高，表明神经元活动输入是Ca2+信号产生的必备条件。
γ-氨基丁酸A受体激活：应用muscimol也明显抑制星形胶质细胞Ca2+升高，进一步确认局部皮层神经元活动与星形胶质细胞Ca2+动态密切相关。
肾上腺素能信号通路：研究利用GCaMP6s在蓝斑核（locus coeruleus）及其下行轴突表达，动态成像揭示运动训练可显著提升去甲肾上腺素（norepinephrine）含量，进而通过星形胶质细胞上的α1-肾上腺素能受体激活GPCR通路，触发Ca2+信号。
药理和遗传干预：局部应用α1受体阻断剂prazosin或化学去除去甲肾上腺素（DSP4），均能有效抑制训练诱导的星形胶质细胞Ca2+升高，而受体激动剂phenylephrine可独立诱发Ca2+瞬变。
IP3R2介导的内质网Ca2+释放：使用IP3R2敲除小鼠（KO mice）等遗传工具发现，星形胶质细胞缺乏IP3R2后训练诱导的Ca2+升高明显受损，进一步证明GPCR—IP3R2通路对本机制至关重要。
此外，研究还利用星形胶质细胞特异性Gq-DREADD（Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drug）与CNO（clozapine-N-oxide）药物控制，实现对星形胶质细胞Ca2+信号的可控调节。体内内质网钙测量蛋白G-CEPIA1er进一步验证持续性GPCR激活可导致内质网Ca2+枯竭，解释长周期星形胶质细胞Ca2+响应消失的分子基础。
3. 星形胶质细胞Ca2+与突触可塑性的关系探索核心环节之一，作者于活体小鼠大脑，实现对5层锥体神经元树突和树突棘（spines）进行高分辨成像，结合YFP/tdTomato标记，跟踪记录树突棘结构变化（大小、形成与消除）及Ca2+动态。在对照组运动训练下，树突棘体积平均增加（突触强化），而在prazosin干预、IP3R2敲除或CNO激活DREADD后（均抑制星形胶质细胞Ca2+），树突棘体积显著减小（突触削弱），且新生树突棘形成减少、消除率增高，行为学上训练能力提升受损。
进一步分析显示，星形胶质细胞Ca2+影响突出于训练期间，未训练状态下几乎不导致树突棘显著变化。此外，初始棘体积越大，训练后越容易缩小，提示活动性树突棘对星形胶质细胞Ca2+调控高度敏感。
4. 星形胶质细胞钙信号限制重复性树突Ca2+激活，防止突触削弱通过联动钙成像与树突棘结构跟踪，作者发现，抑制星形胶质细胞Ca2+（无论药理或遗传手段）会导致部分树突分支在运动训练期间出现高频重复Ca2+“spikes”，而控制组仅有极少树突分支出现超过8次以上的Ca2+“spikes”。这些高频重复Ca2+“spikes”分支上的树突棘普遍缩小，突触功能削弱。这一现象提示星形胶质细胞Ca2+有助于抑制树突过度活跃，从而保护突触免受训练诱发的削弱作用。
实验还检测了树突Ca2+“spikes”与树突棘Ca2+活动的时序关系（spike-timing-dependent mechanism），发现如果树突棘在树突Ca2+激活之前出现Ca2+瞬变，则更易出现棘体积缩小。进一步使用CaMKII（钙/钙调蛋白依赖蛋白激酶II）抑制剂KN62干预证明，该酶的激活是树突棘削弱的关键分子机制之一。
5. 星形胶质细胞释放ATP/腺苷信号调控树突与突触活动针对上述高频树突Ca2+“spikes”机制，作者更进一步探讨信号分子途径。发现运动训练会在星形胶质细胞中迅速提升胞外腺苷（adenosine）含量（遗传编码GRAB-ADO1.0MED腺苷传感器检测）。局部应用腺苷A1受体激动剂CPA可显著降低树突和树突棘Ca2+活动、峰值及预先激活棘数量，阻断剂DPCPX则相反增加上述指标，验证腺苷信号在动力学限度内抑制树突突触大规模同步活跃，保护突触功能。
更关键的是，腺苷外添可逆转IP3R2 KO或DREADD-CNO诱导的突触削弱现象，证明星形胶质细胞释放ATP并依赖腺苷信号是一种全新的、活体下突触稳态保护机制。
研究主要成果、意义与科学价值综上，作者们基于多级精密成像、遗传和药理干预、行为学测试，首次系统地证明了在活体运动学习过程中，星形胶质细胞Ca2+的迅速升高对于突触功能的维持至关重要——其通过抑制树突重复高频Ca2+激活，防止树突棘的尺寸和数目减少，实现突触稳态的保护。这一细胞间相互作用依赖于神经元去甲肾上腺素输入、GPCR—IP3R2信号通路以及ATP/腺苷下游信号。
研究的科学意义在于：
首次揭示活体环境下星形胶质细胞Ca2+直接调控学习相关突触稳态的核心机制，改写以往只关注神经元的突触塑性视角，实现细胞间精细调控的全新认知。
建立了运动学习、星形胶质细胞Ca2+信号、去甲肾上腺素信号、树突重复激活与突触削弱之间的因果链条。
创新性地提出ATP/腺苷信号作为突触稳态保护因子，为脑疾病和认知障碍的干预提供全新分子靶点。
验证了体内成像、遗传工程、化学遗传学（DREADD）等多种前沿技术在活体条件下的高度可重复性和可靠性，推动了神经科学实验方法升级。
研究亮点与应用前景实验方案创新：体内双光子多色成像、遗传编码Ca2+/腺苷传感器、高空间时间分辨活体动态检测。
多重干预手段：神经元、星形胶质细胞、信号分子通路多级操控，确保结果的原因分析和机制完整性。
行为学与细胞学联动：实现细胞层级的信号变化与动物运动表现的精确关联，推动神经科学向“从分子到行为”的整合体系进化。
临床转化价值：为认知障碍、运动障碍、精神疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等研究干预突触塑性机制开辟新方向。
学术影响力：团队成员和研究机构国际顶级背景，工作发表在《Nature Neuroscience》月刊，经过严格同行评审，具有重大学术影响力。
结语与展望这项研究系统地搭建出“运动学习—神经元活动—星形胶质细胞Ca2+响应—ATP/腺苷信号—树突突触稳态”这一完整的多细胞互作丁链，为理解大脑学习与记忆功能中的胶质-神经元协同机制奠定了细胞与分子基础。其研究成果不仅加深了对神经环路可塑性调控的生物学认识，也为未来相关疾病的机制解析和新型治疗策略开发提供了坚实科学支撑。
在神经科学日益深入复杂细胞互作的今天，本论文工作无疑为领域树立了新的里程碑，开启了关于星形胶质细胞参与认知功能调节的新篇章。