《SCIENCE ADVANCES》：Dendritic compartment-specific spine formation in layer 5 neurons underlies cortical circuit maturation during adolescence
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本研究针对青春期皮层环路成熟机制不清的关键问题，通过超分辨率成像技术系统性绘制了小鼠初级体感皮层L5 ET神经元树突棘的空间分布图谱，发现其顶树突中段存在经验依赖性的棘突密度“热点区”，该区域在青春期特异性形成并依赖NMDA受体激活；研究进一步在精神分裂症模型小鼠中发现热点区形成障碍，揭示了树突区室特异性突触发育异常与神经精神疾病的关联，为理解青春期认知功能成熟提供了新机制。
大脑如何从青春期的不成熟状态逐步发育出精细的认知功能？这一过程背后的神经环路重塑机制一直是神经科学领域的核心问题。传统观点认为，青春期大脑突触的演变遵循“先增后减”的模式——童年期突触大量形成，青春期则通过“修剪”淘汰多余连接以优化环路。然而，这种宏观描述是否掩盖了不同神经细胞类型甚至不同树突区室的特异性发育规律？尤其对于承担皮层信息整合输出关键任务的层5 extratelencephalic-projecting (L5 ET) 神经元，其突触空间分布如何随青春期动态变化仍不清楚。
为解答这一问题，发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究团队开展了系统性探索。研究人员聚焦小鼠初级体感皮层（S1）的L5 ET神经元，利用新型组织透明化技术SeeDB2结合超分辨率显微镜（Airyscan/LIGHTNING），首次实现了全神经元尺度的树突棘三维精准定量。该技术突破传统光学显微镜的z轴分辨率限制，达到150纳米侧向分辨率与300纳米轴向分辨率，使得厚脑片样本中棘突的精确计数成为可能。
研究首先在成年小鼠中发现一个颠覆性现象：L5 ET神经元顶树突的棘突分布呈现高度异质性，中段区域（距胞体200-500微米）形成密度较其他区域高10倍的“热点区”（hotspot），该位置恰与顶树突首次分叉点及树突钙锋电位（Ca2+spike）产生区重合。相比之下，基底树突和层2/3（L2/3）神经元的棘突分布则相对均匀，提示热点区是L5 ET神经元的独特结构特征。
关键技术方法概述
研究通过SeeDB2透明化处理结合超分辨率显微镜（Airyscan/LIGHTNING）对Thy1-YFP-H转基因小鼠脑片进行成像，利用Neurolucida软件重构神经元形态；采用在体钙成像记录树突活动，通过电生理检测神经元放电模式；通过基因敲除（Grin1条件性敲除、Hivep2全敲、Setd1a单细胞敲除）和感觉剥夺（胡须切除）模型干预发育过程。
发育轨迹揭示热点区形成于青春期
通过对比 postnatal day (P)7、P14、P21与成年期（P56-P84）的棘突分布，研究发现：在P14之前，所有树突区室的棘突密度均匀增加；但进入青春期后，基底树突、斜向树突及顶树突末梢区出现适度修剪，而顶树突中段热点区却逆势增长——其棘突密度在青春期显著上升，形成成年特有的空间分布模式。这种区室特异性调控提示青春期突触变化并非简单的全局性修剪，而是精确的时空重塑。
经验与NMDA受体依赖的形成机制
为探究热点区形成的驱动因素，研究团队进行了感觉经验剥夺实验（单侧胡须切除）和青春期特异性Grin1条件性敲除。结果显示：感觉输入缺失或NMDA受体（NMDAR）功能抑制均特异性削弱热点区的棘突积累，而不影响基底树突密度，表明该过程依赖经验驱动的NMDAR激活。这从机制上解释了环境刺激对青春期神经环路优化的关键作用。
精神分裂症模型中的热点区发育异常
在Hivep2敲除和Setd1a单细胞敲除两种精神分裂症小鼠模型中，成年期热点区棘突密度显著低于对照组，而基底树突仅轻微受影响或无明显变化。重要的是，发育时序分析显示，这种差异源于青春期热点区棘突形成障碍，而非过度修剪，挑战了精神分裂症“突触过度修剪”的传统假说，提出“发育性形成缺陷”新机制。
功能关联：热点区与树突整合成熟
通过离体电生理记录，研究发现成年L5 ET神经元更容易在电流注射时产生爆发性动作电位（burst firing），提示树突钙锋电位生成效率随年龄提升。在体钙成像进一步观察到，顶树突热点区不仅参与全局性钙信号同步事件（对应钙锋电位），还独立产生局部NMDA锋电位（NMDA spike），说明该区域可直接整合突触输入，可能通过放大基底树突（感觉输入）与顶树突末梢（反馈输入）的协同激活，促进意识相关感知处理。
结论与意义
本研究通过高精度棘突映射技术，揭示了L5 ET神经元顶树突中段在青春期形成棘突密度热点区的发育规律，阐明其依赖感觉经验与NMDA受体激活的特性，并首次在精神分裂症模型中验证该区室特异性突触发育异常。这一发现不仅刷新了对青春期突触重塑的认知，建立了树突整合功能成熟与疾病风险的新关联，更为理解神经精神疾病发病机制提供了细胞层面新视角。未来针对热点区输入来源及其在认知行为中动态调控的深入研究，有望为脑疾病干预提供新靶点。
