感觉新皮层PV抑制在学习过程中的性别二态性可塑性

《Scientific Reports》：Sexually dimorphic plasticity of PV inhibition in sensory neocortex during learning

本研究针对学习过程中抑制性神经元可塑性机制不清的问题，通过结合离体电生理和定量突触分析，发现小鼠初级体感皮层中表达小清蛋白(PV)的神经元向2/3层锥体神经元提供的抑制在学习早期出现女性特异性降低。这种PV输出可塑性需要刺激-奖励关联，且具有短暂性和层特异性，强调了性别作为生物学变量在研究皮层可塑性中的重要性。

　　

当我们学习新技能或形成新记忆时，大脑会发生怎样的变化？这背后隐藏着复杂的神经环路重塑过程。其中，抑制性神经元，特别是表达小清蛋白(parvalbumin, PV)的神经元，被认为在调节大脑皮层兴奋性方面扮演着关键角色。这些PV神经元通过强大的突触输入抑制局部锥体(pyramidal, Pyr)神经元，如同交通警察般维持着神经环路的平衡。理论推测，学习过程中PV介导的抑制会发生可塑性变化，从而调控兴奋性突触可塑性和环路兴奋性，但支持这种输入和目标特异性可塑性的实验证据却十分有限。

更令人困惑的是，不同性别在学习过程中是否表现出不同的神经可塑性模式？这一问题长期以来被许多研究所忽视。随着科学界越来越认识到性别作为生物学变量的重要性，探究学习相关皮层可塑性的性别差异变得尤为迫切。

为了解开这些谜团，发表在《Scientific Reports》上的这项研究开展了一项创新性探索。研究人员想知道：当小鼠学习将胡须刺激与奖励联系起来时，其初级体感皮层（桶状皮层）中PV神经元向Pyr神经元提供的抑制是否会发生变化？这种变化是否具有层特异性？更重要的是，这种变化是否存在性别差异？

为了回答这些问题，研究团队设计了一套精巧的实验方案。他们首先让PV-Cre转基因小鼠在一个自动化的家庭笼训练环境中进行胡须依赖的感觉关联训练(sensory-association task, SAT)。在这个范式中，小鼠学会将温和的气流刺激（针对多根胡须）与随后的水奖励相关联。通过测量刺激试验与空白试验中 anticipatory licking（预期舔舐）频率的差异，研究人员能够量化小鼠的学习程度。

在关键的技术方法上，研究人员主要运用了以下几个核心手段：他们使用了PV-Cre与Channelrhodopsin-2(ChR2)双转基因小鼠模型，通过离体脑片膜片钳技术，记录来自经过不同训练阶段小鼠脑片中2/3层(L2/3)和5层(L5)锥体神经元的光遗传学 evoked PV抑制性突触后电流(PV-IPSCs)。同时，他们还通过电流钳记录分析了PV神经元的内在兴奋性，并设置了伪训练对照组以区分单纯刺激暴露与真实学习效应的差异。

训练诱导的PV突触输出变化具有女性特异性

通过光遗传学激活表达Channelrhodopsin的PV神经元，研究人员发现，在训练开始时，来自L2/3而非L5的Pyr神经元中 evoked PV-IPSCs被快速抑制。令人惊讶的是，这种减少具有性别特异性，仅发生在雌性小鼠中。在雌性小鼠中，训练导致L2/3 Pyr神经元的PV-IPSC振幅显著降低，而雄性小鼠则没有表现出这种训练依赖性的减少。这一现象主要是由于对照笼适应雌性小鼠的PV-IPSCs较大，而训练使其减小。

性别调节新皮层PV神经元的内在兴奋性

为了探究SAT是否会引起PV兴奋性的变化，研究团队比较了不同条件下L2/3和L5 PV神经元的内在放电特性。在雌性小鼠中，SAT与L2/3 PV神经元静息膜电位的变化无关，但研究人员观察到在SAT1时输入电阻显著增加，同时基电流减小，F:I曲线左移，表明在SAT开始时雌性小鼠的L2/3 PV神经元兴奋性更高。相比之下，L5 PV神经元的内在特性在SAT后没有改变。在雄性小鼠中，训练增加了L2/3和L5 PV神经元的基电流，表明内在兴奋性降低。重要的是，光 evoked PV神经元激活在两种性别中保持一致，表明PV-IPSCs的变化并非由于PV神经元兴奋性的改变。

性别特异性学习行为差异

既然雄性小鼠在训练开始时没有表现出训练依赖性的PV-IPSCs减少，研究人员假设它们可能在学习利用刺激作为线索来增加预期舔舐行为方面较慢。然而，行为分析显示，在训练第一天结束时，雄性和雌性小鼠在刺激试验与空白试验中的预期舔舐频率没有显著差异。两组中约有60%的动物在SAT1时表现出刺激试验的舔舐频率高于空白试验，表明它们都在利用感觉刺激来指导行为。尽管雄性小鼠在训练中发起的刺激试验数量显著更多，但它们在SAT第一天的总饮水量没有差异，并且表现指标（刺激与空白试验舔舐频率的差异）在雄性和雌性之间相同。

伪训练不改变PV抑制

为了测试PV输出调节是否需要刺激与奖励的耦合，研究人员训练了另一组动物使用伪训练(pseudotraining, PSE)范式，其中刺激和奖励解耦但刺激频率保持不变。与SAT相反，PSE没有引起雌性小鼠L2/3或L5的PV-IPSC振幅变化。在雄性小鼠中，PSE同样没有驱动PV-IPSC可塑性。这些结果表明，雌性小鼠PV介导的抑制减少需要一致的刺激-奖励关联性，而不是仅由刺激暴露驱动。

PV-IPSC可塑性在较长训练期间不维持

随着训练时间的延长，表现继续提高，刺激试验中的预期舔舐增加，空白试验中的舔舐减少。为了研究L2/3或L5的可塑性是否会随着进一步训练而增强，研究人员检查了雄性和雌性小鼠经过5天SAT后的PV-IPSC振幅。在SAT5时，雌性小鼠L2/3和L5的PV-IPSCs与延长笼适应的对照组没有区别，表明PV-IPSC可塑性在整个训练期间不维持，而仅在SAT开始时短暂诱发。在雄性小鼠中，在SAT5时L2/3或L5 Pyr神经元中均未观察到PV-IPSCs的变化。

综合以上研究结果，这项研究得出了几个重要结论。首先，它揭示了在感觉关联学习早期，新皮层PV介导的抑制会发生变化，但这种变化具有明显的性别二态性，仅发生在雌性小鼠的浅层皮层。其次，这种可塑性需要刺激-奖励关联性，而非单纯的刺激暴露。第三，PV抑制的可塑性是暂时性的，仅在学习早期出现。最后，尽管存在这种神经环路上的性别差异，但行为学习速率在两种性别间是相似的。

这些发现对神经科学领域具有重要意义。它们强调了在研究学习相关皮层可塑性时，必须将性别作为关键生物学变量考虑在内。研究显示，雌雄小鼠可能通过不同的神经机制实现相似的学习效果，这对理解大脑工作原理提供了新视角。此外，该研究首次在感觉新皮层中揭示了PV抑制在学习过程中的性别二态性可塑性，为理解抑制性神经元在学习中的作用提供了新的层面。

从更广泛的视角来看，这项研究提醒我们，大脑的可塑性机制可能比我们想象的更为多样和复杂。性别、脑区、细胞类型、学习阶段等多种因素共同塑造着神经环路的动态变化。未来研究需要更细致地解析这些因素如何相互作用，以及它们如何共同支持复杂的学习和行为适应过程。