人脑皮层锥体神经元反向传播动作电位诱发钙信号的空间特性与通道机制研究

《Frontiers in Synaptic Neuroscience》：Spatial characterization of backpropagating action potential-evoked Ca2+ signals in human cortical layer 2/3 pyramidal neurons

本研究首次系统描绘了人脑皮层第2/3层锥体神经元树突中反向传播动作电位（bAP）诱发钙信号（Ca2+）的空间分布规律，揭示其非线性峰值特征（50–100?μm处）及L/N/R/T型电压门控钙通道（VGCC）的区段特异性贡献，为理解人类神经元树突计算与突触可塑性提供新视角。

　　

1 引言

神经元钙信号在突触可塑性、细胞兴奋性和基因表达等过程中起核心作用。反向传播动作电位（bAP）作为树突钙内流的关键触发机制，在啮齿类模型中已被广泛研究，但其在人类皮层神经元中的空间特性及通道机制尚不明确。人类锥体神经元具有更复杂的树突形态、独特的离子通道组成及更强的局部计算能力，这些差异可能显著影响树突信号处理模式。本研究通过结合全细胞膜片钳记录与双光子钙成像技术，首次绘制了人脑L2/3锥体神经元树突bAP诱发钙信号的高分辨率空间图谱。

2 材料与方法

实验使用神经外科切除的人新皮层组织（取自34例患者），制备急性脑片后对L2/3锥体神经元进行同步电生理记录和钙成像。神经元通过电极内液加载Oregon Green BAPTA-1（OGB-1）钙指示剂，通过体细胞电流注射诱发单次或三次动作电位，并沿顶树突（最远263?μm）测量钙瞬变幅度（ΔF/F₀）。通过三维形态学重建分析树突直径、分支节点和树突棘密度与钙信号的关系，并采用特异性阻断剂（如nifedipine阻断L型、ω-conotoxin阻断N型、SNX-482阻断R型、NNC 55-0396阻断T型VGCC）解析不同钙通道亚型的贡献。

3 结果

3.1 顶树突钙瞬变幅度的空间分布

钙信号幅度随距离呈现非线性分布：在体细胞附近较低，于50–100?μm处达到峰值，随后在远端衰减。三次AP诱发钙信号幅度显著高于单次AP，且曲线下面积（AUC）与峰值幅度高度相关。树突分段（50?μm间隔）分析显示，钙信号在第二段（50–100?μm）显著高于其他区段。

3.2 树突形态与钙信号的相关性

径向斜枝树突的钙信号幅度显著高于主顶树突。形态学参数中，树突直径与钙信号幅度呈负相关，而树突棘密度在信号上升段（体细胞至峰值区）与幅度正相关。分支节点数未显示显著相关性，表明树突几何特征（直径与棘密度）是塑造钙信号空间轮廓的关键因素。

3.3 钙通道亚型的区段特异性贡献

非特异性VGCC阻断剂CdCl₂显著降低所有区段钙信号。特异性阻断实验表明：L型、N型、R型通道主要影响近端（<50?μm）和中段（50–100?μm）信号，而T型通道在所有区段均起作用。值得注意的是，N型通道阻断（ω-conotoxin）显著改变钙信号空间轮廓的曲率，提示其在中段富集并主导峰值形成。

4 讨论

人类L2/3锥体神经元bAP诱发钙信号的空间轮廓与啮齿类相似，但受人类特有的树突形态和通道分布调控。钙信号峰值区的形成与树突细径化导致的表面积-体积比变化、电压衰减梯度及VGCC亚型分布相关。斜枝树突更高的钙信号幅度支持其作为局部可塑性热点的功能。多种VGCC亚型的协同作用为树突计算提供了分子基础，其中N型通道对空间轮廓的塑造具有突出贡献。本研究揭示了人类神经元树突钙信号的基本规律，为跨物种神经计算比较提供了关键依据。