《Brain Research Bulletin》：Structural plasticity of the axon initial segment in hippocampal granule cells after entorhinal denervation
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本研究探索了神经元在失去主要兴奋性输入后，其动作电位启动与输出区域如何适应。针对嗅皮层损毁(ECL)导致海马齿状回(DG)颗粒细胞大量失神经支配的现象，研究人员系统性地研究了颗粒细胞轴突起始段(AIS)长度及其内的池器(CO)标志蛋白Synaptopodin(Synpo)在损伤后不同时间点的结构变化。结果显示，损伤侧颗粒细胞的AIS在特定时间点发生缩短，同时AIS内的Synpo簇密度和面积均发生动态改变。这首次为神经元的输出区参与了去神经支配后的适应性反应提供了证据，拓展了我们对神经元稳态可塑性机制的认识。
想象一下，大脑中的一个关键区域突然失去了它绝大部分的“信息供应商”。这会导致什么后果？如果这个区域是海马体中的齿状回，而“供应商”是来自嗅皮层、负责传递感觉信息的穿通通路，那么后果就是齿状回颗粒细胞瞬间陷入了“信息饥荒”——它们失去了大约80-90%位于远端树突上的兴奋性突触输入。面对如此巨大的输入缺失，神经元并不会坐以待毙。已知它们会启动一系列代偿机制，比如增强剩余突触的强度、促进邻近神经元的轴突发芽、甚至重构自身的树突形态，以求在逆境中恢复功能平衡。然而，这些已知的适应机制大多集中在神经元的“输入区”（树突）和胞体。一个关键问题随之浮出水面：作为神经元“输出总闸”的轴突起始段(Axon Initial Segment, AIS)，这个负责动作电位(Action Potential, AP)启动和编码的关键区域，是否也会参与这场大规模的适应性重塑？它与AIS内部一个被称为池器(Cisternal Organelle, CO)、可能与局部钙信号调控相关的特殊细胞器，又将如何响应这场输入危机？
为了回答这些问题，由Anne-Jessica Schneider、Meike Fellenz和Thomas Deller等人领导的研究团队在《Brain Research Bulletin》上发表了一项研究。他们利用成年C57BL/6小鼠，进行了单侧嗅皮层损毁(Entorhinal Cortex Lesion, ECL)，模拟了齿状回颗粒细胞的急性大规模去神经支配模型。研究人员在不同时间点（损伤后1、3、7、14、28天）检查了损伤侧（同侧）和未损伤侧（对侧）海马齿状回颗粒细胞的AIS长度，以及AIS内CO的标志蛋白Synaptopodin(Synpo)的簇数量与大小变化。研究发现，颗粒细胞的AIS和Synpo簇均表现出显著的结构可塑性，且这种变化具有特定的时间模式，不仅发生在直接受损的同侧半球，也对侧的“旁观”半球也观察到了一些变化。这首次证明，神经元的输出区——AIS，积极参与了神经元应对去神经损伤的全局性稳态适应过程。
本研究主要运用了以下几项关键技术方法：1) 单侧 ECL 手术模型：通过立体定位仪精确损毁小鼠一侧嗅皮层，建立稳定的去神经支配模型，并以对侧半球和仅开颅未损伤的小鼠作为对照。2) 免疫荧光染色与共聚焦显微镜成像：使用βIV-spectrin抗体标记AIS，Synpo抗体标记CO，通过高分辨率共聚焦显微镜获取齿状回颗粒细胞层的三维图像。3) 图像分析与三维重建：利用SimpleNeuriteTracer插件在Fiji软件中手动追踪单个AIS并计算其长度，同时识别并测量AIS内的Synpo簇的面积和数量。4) 损伤质量评估：采用Fluoro-Jade C染色特异性标记变性中的穿通通路轴突末梢，以确认损毁的完全性。
结果部分：
2.1. 单侧 ECL 的质量控制
研究人员通过观察早期损伤位点和后期Fluoro-Jade C染色，确认了穿通通路的完全离断。免疫染色显示，在损伤后7天，同侧齿状回中指示近期神经元活动的胞体Synpo染色消失，进一步证实了损伤的有效性。
2.2. 去神经支配颗粒细胞的 AIS 在 7 dpl 和 28 dpl 表现出可塑性长度适应
分析发现，在损伤后7天，同侧齿状回颗粒细胞的AIS长度显著短于对侧和未损伤对照组。到损伤后28天，同侧AIS平均长度虽与对侧无显著差异，但仍短于未损伤对照组，且长度分布整体向左偏移（偏向更短）。有趣的是，在同侧半球内，AIS长度随时间呈现动态变化：从3天到7天显著缩短，7天到14天有所恢复，随后在14天到28天再次缩短。对侧半球仅在3天时表现出轻微的AIS长度增加。
2.3. ECL 后 AIS 内 Synpo 簇数量的可塑性变化
研究人员分析了AIS内Synpo簇的密度（每10微米AIS长度的簇数量）。在损伤后1天，同侧齿状回的Synpo簇密度显著高于对侧。损伤后3天，同侧簇密度也高于未损伤基线。然而，在损伤后7天及更晚的时间点，两侧的簇密度均下降至低于基线水平，且两侧间无显著差异。这表明Synpo簇密度的早期增加是损伤侧特异性的，但后期的下降则是双侧性的网络效应。
2.4. ECL 后 AIS 内 Synpo 簇大小的可塑性变化
除了数量，Synpo簇的大小也发生了改变。在损伤后3天，同侧齿状回AIS内Synpo簇的平均面积和总面积均显著大于对侧和未损伤基线。这种增大在损伤后7天消失，同侧簇面积恢复至基线水平，而对侧簇面积则显著变小。随后，在14天和28天，两侧的簇面积或总面积大多维持在低于基线的水平。这意味着Synpo簇大小的早期特异性增大和后续的双侧性减小。
结论与讨论：
本研究首次提供了ECL后海马齿状回颗粒细胞AIS及其内CO（通过Synpo簇表征）发生结构可塑性的直接证据。这些变化遵循不同的时间线：Synpo簇密度在损伤后1天即增加，簇大小在3天时增大；而AIS长度的显著缩短则出现在7天和28天。这些发现挑战了关于AIS可塑性的简单“输入减少导致延长”的范式。在ECL模型中，输入缺失触发的是一系列复杂、有时序的级联反应，包括突触丢失、胶质细胞激活、网络重组和稳态性功能调整。因此，观察到的AIS缩短可能并非对初始输入减少的直接反应，而是对后续恢复过程中可能出现的阶段性过度兴奋（例如，由反应性星形胶质细胞病引起的）的一种适应性下调，或者是在新的网络平衡建立过程中，神经元内在兴奋性精细调节的一部分。
同样，Synpo簇的早期变化（数量增多、体积增大）可能反映了神经元在动作电位发放率急剧下降期间，对AIS局部钙信号减少的一种补偿性机制。CO作为钙库，其结构的增强可能旨在稳定或调控AIS的钙环境，以影响动作电位的产生或GABA能抑制。随着神经元发放率在损伤后一周左右恢复至基线水平，这种补偿需求减弱，Synpo簇的大小和数量也随之回落。
值得注意的是，许多适应性变化（尤其是后期Synpo簇密度和面积的降低）不仅发生在直接受损的同侧齿状回，也出现在未受损的对侧齿状回。这表明，单侧ECL的影响超越了直接去神经支配的区域，通过海马内的连合通路和关联通路引发了全脑网络水平的适应性调整。
总之，这项研究将神经元的AIS——这个动作电位的“发源地”——确立为神经元应对重大输入缺失时进行结构性重塑的关键参与者之一。它揭示了AIS和CO的动态变化是颗粒细胞在去神经支配后为实现功能稳态而采取的多层次、多时间尺度适应策略的重要组成部分。
