前額葉皮層（Prefrontal cortex，PFC）是大腦中的“認知功能中心”。與PFC相關的短期記憶受損和執行能力的破壞在神經精神病學疾病中非常普遍，如精神分裂癥和自閉癥^[1]。這類疾病的發生與許多基因的突變以及環境風險因素相關，其中許多基因和環境風險因素都參與調節大腦發育的過程^[2]，且有研究發現在精神分裂癥和自閉癥模型小鼠的前額葉腦區節律性神經網絡活動受損^[3]。因此有假說認為：不正常的神經系統發育會導致神經網絡功能紊亂，最終導致認知功能受損^[4]。

2021年4月21日，來自德國漢堡大學醫院的Ileana L. Hanganu-Opatz教授團隊在Neuron發表了題為《A transient developmental increase in prefrontal activity alters network maturation and causes cognitive dysfunction in adult mice》的工作，揭示了發育期前額葉皮層神經元異常電活動引起成年小鼠認知缺陷的現象^[5]。

為了探索早期電活動對成年前額葉功能的影響，研究者們將E15.5的孕鼠麻醉后暴露其子宮角，并將25ml純化后的帶有紅色熒光信號的熒光編碼質粒pAAV-CAG-ChR2(E123T/T159C)-2A-tDimer2 (RFP)和視蛋白通過玻璃毛細血管注射到每個胚胎的右側腦室中（質粒濃度1.25mg/ml），使mPFC區L2/3的椎體神經元表達光敏蛋白ChR2，進而可以通過光遺傳學的手段特異性操縱小鼠mPFC區L2/3的錐體神經元。

由于P7-P11是mPFC突觸形成的關鍵時期，因此研究者們在P7-P11分別用473nm（激活錐體神經元）或594nm（不影響神經元電活動）的斜坡光刺激操縱神經元，其后再進行行為學、電生理、形態學的后續實驗。結果顯示，與593nm刺激的對照組相比，473nm的光刺激使mPFC神經元節律性beta波電活動增強。（圖1）

圖1: 473nm藍光刺激可誘發PFC神經元電活動，594nm光刺激對PFC神經元電活動無影響

那么特異性增加發育期mPFC電活動究竟會對成年期小鼠產生什么影響呢？因此研究者們做了一系列的行為學實驗，結果顯示相對于對照組小鼠，經過早期刺激(early stimulation, ES)的小鼠在新物體識別實驗中不能區分新物體和熟悉的物體，且ES組小鼠社交行為也明顯下降。

在八臂迷宮實驗中，ES小鼠也表現出了工作記憶缺陷，而且這種缺陷并不是由于小鼠的運動功能受損造成的。這些行為學實驗證明了發育期PFC電活動的短期增強會導致PFC相關的短期記憶、工作記憶及社會行為受損。（圖2）

圖2:ES組小鼠八臂迷宮實驗中表現出短期記憶和工作記憶受損，但運動功能不受影響

為什么ES組小鼠會表現出如此明顯的認知功能受損呢？研究者們觀察了ES組和對照組錐體神經元的形態，結果發現ES組錐體神經元的樹突在光刺激后顯著增多，在P23之后則和對照組樹突數量相當。這些結果表明發育期mPFC神經元電活動增加與L2/3錐體神經元的提前成熟有關。（圖3）

圖3:ES組神經元樹突增多變早，表明ES引起PFC L2/3錐體神經元樹突提前成熟

為了驗證在發育期神經元電活動短暫改變會通過影響PFC正常功能進而導致異常行為的假說，研究者們監測了對照組和ES組小鼠mPFC在整個發育過程中自發的神經元電活動。與對照組相比， P11-P12的ES小鼠mPFC 12-100Hz的快速振蕩增高，這可能是由于L2/3 錐體神經元的樹突過早生長引起的，但發育后期兩組神經元的放電活動則回到了類似的水平。盡管自發的神經電活動不受ES的影響，但在社交行為的行為學實驗中，ES組小鼠不像正常小鼠那樣傾向于和同類小鼠互動交流，并且其mPFC 40-80Hz的電活動（Gamma神經振蕩）也顯著低于對照組，這說明ES組小鼠的認知功能明顯受損。（圖4）

另外，他們還以海馬 -> mPFC的電信號傳遞通路為例觀察了ES是否會影響正常的神經電信號傳遞。在P22時，分別向ES組和對照組小鼠的海馬區注射帶有黃色熒光標記的pAAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-eYFP，使海馬區神經元表達光敏蛋白ChR2，并在給予光遺傳學操縱時P38-P40分別觀察mPFC和海馬區的電活動。在473nm光刺激時，在ES組和對照組的海馬區都觀察到了gamma振蕩，但ES組的mPFC中并沒有觀察到（圖5）。這說明ES組小鼠的mPFC不能正常的接收來自其他腦區的神經投射。

圖4:ES對自發電活動影響較小(A-D圖)，但ES組mPFC與事件相關的gamma神經振蕩明顯低于對照組(E-G圖)

圖5: 激活海馬區神經元時，ES組PFC區不能產生正常的gamma振蕩

以上結果顯示，在關鍵的PFC發育期增加神經元電活動導致mPFC的結構和功能發生變化，最終造成小鼠認知功能受損。同時這項工作也闡明了發育期神經電活動的改變對神經系統疾病認知障礙的重要性。

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