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本研究旨在解决阿尔茨海默病（AD）早期突触丢失的动态机制尚不清楚这一关键问题。研究人员利用杂交的5xFAD-M小鼠模型，通过长期在体双光子显微成像技术，追踪了4-6.5月龄小鼠躯体感觉皮层锥体神经元树突棘的密度和动态变化。研究发现，与对照组相比，AD模型小鼠的树突棘密度显著降低，并且这种降低是由于树突棘的形成（Gain）和消除（Loss）过程被整体抑制所致，而“稳定”棘的数量相对不变。该研究为理解AD早期突触病理的动态变化提供了重要线索，并强调了5xFAD-M杂交模型在体研究中的实用价值。
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一种困扰全球的神经退行性疾病，是痴呆症最常见的病因。随着人口老龄化加剧，其带来的社会经济负担日益沉重。尽管科学家们不懈探索，但其发病机制至今仍未完全阐明，现有的治疗方法也无法有效阻止疾病进展。长期以来，一个备受关注的核心假说是“淀粉样蛋白级联”假说，即淀粉样蛋白β（amyloid-beta, Aβ）的异常沉积被认为是驱动疾病进程的“元凶”。然而，越来越多的证据表明，在神经元发生明显变性甚至在大脑中出现Aβ斑块之前，突触（神经元之间信息传递的关键结构）的功能障碍和丢失，才是与认知能力下降联系最紧密的病理变化。那么，在疾病早期，突触到底是如何丢失的？是产生得太少，还是消亡得太快，抑或两者兼有？要回答这些动态变化的问题，传统的、只能观察“终点”的离体研究方法就有些力不从心了。因此，科学家们将目光投向了能够“窥视”活体大脑、对同一结构进行长期追踪的革命性技术——在体双光子显微镜成像。
近期，一篇发表于《Discover Neuroscience》的研究为我们揭示了AD早期突触丢失的动态图景。为了深入探究AD早期突触的“生存状态”，研究人员没有采用常规的、需要注射染料或病毒来标记神经元的方法，而是巧妙地构建了一种杂交小鼠模型——5xFAD-M。他们将有五个家族性AD（FAD）相关基因突变、能加速产生致病性Aβ的5xFAD小鼠，与大脑皮层神经元能天然稳定表达绿色荧光蛋白（GFP）的Thy1-EGFP小鼠进行杂交。这样得到的5xFAD-M后代，其皮层神经元自带“荧光标签”，无需任何侵入性操作即可在体进行长期、清晰的显微成像，完美规避了因注射操作本身可能引发的炎症或损伤对观察结果的干扰。通过这种创新的模型，并结合在体双光子显微镜，研究者得以像观看一部延时纪录片一样，在长达数周的时间里，反复观察并记录同一只4到6.5月龄小鼠大脑躯体感觉皮层第II-III层锥体神经元顶端树突棘（树突棘是接收信息的关键突触后结构）的“生老病死”。
关键技术方法：本研究主要应用了杂交小鼠模型构建与在体双光子显微成像技术。研究人员通过杂交育种获得了稳定表达绿色荧光蛋白（GFP）的5xFAD-M小鼠模型，该模型结合了5xFAD小鼠的AD病理特征和Thy1-EGFP小鼠的神经元荧光标记特性，实现了对皮层神经元的无创、长期荧光标记。通过在4月龄和6月龄雄性小鼠的躯体感觉皮层上方植入光学透明颅窗，为在体成像提供了观察通道。成像使用配备20倍水浸物镜和飞秒激光器的LSM 880 NLO激光扫描显微镜，在910 nm波长激发GFP荧光，对同一树突片段进行长达7至78天的重复成像和数据采集。所有动物的转移和实验在俄罗斯的南方联邦大学神经技术研究中心和彼得大帝圣彼得堡理工大学分子神经退行性变实验室的合作框架下完成。
研究结果
树突棘密度在5xFAD-M小鼠中显著且进行性降低
对总计83个树突片段（对照组Thy1-EGFP 39个，实验组5xFAD-M 44个）的长期成像数据分析显示，在4至6.5月龄（出生后120至204天）的观察期内，5xFAD-M小鼠的树突棘密度始终显著低于对照组。对照组小鼠的树突棘密度均值（Mean ± SEM）为0.359 ± 0.103个/微米，而5xFAD-M小鼠仅为0.143 ± 0.073个/微米。更重要的是，在5xFAD-M小鼠中，树突棘密度表现出随年龄增长而逐渐下降的线性趋势，但在对照组小鼠中未观察到这种明显的年龄相关性下降。具体分析不同时间点发现，5xFAD-M小鼠的树突棘密度在约4月龄（出生后122-124天）时相对最高，随后在约5月龄和6.5月龄时显著降低且未能恢复。这些数据清晰地表明，在AD模型小鼠的早期病理阶段，其大脑皮层的突触后结构已经发生了持续且进行性的丢失。
树突棘动态变化：形成与消除过程被整体抑制
研究不仅关注静态的密度，更深入分析了树突棘的动态变化，包括新棘的形成（Gain）、旧棘的消失（Loss）以及形态类型的转变（Transformation）。研究人员计算了反映单位长度树突上棘变化强度的“棘动态比率”（SD(t)）和反映变化棘数量占总棘数比例的“棘比例比率”（SP(t)）。结果显示，对照组Thy1-EGFP小鼠的SD(t)值在所有观察时间点均显著高于5xFAD-M小鼠。这意味着在AD模型小鼠中，树突棘的总体重塑（包括形成、消除和形态转变）活跃度显著降低。同时，虽然5xFAD-M小鼠的树突棘总密度低，但其SP(t)值与对照组相比并无系统性差异（除一只小鼠外）。综合这些发现，研究人员指出，5xFAD-M小鼠树突棘密度的动态降低，并非由于形成减少而消除增加这种“失衡”导致，而是由于树突棘的形成和消除两个过程被“整体抑制”所致。就像一个城市的入口和出口都变窄了，虽然进出流量都变小了，但内部的“人口”（棘密度）依然在持续净减少。
“稳定”树突棘的比例在两组间无显著差异
研究人员还特别关注了那些在整个观察期内（超过21天）始终存在的“稳定”树突棘。分析发现，在首次成像时观察到的所有树突棘中，能在整个观察期内持续存在的“稳定棘”比例，在Thy1-EGFP小鼠中平均为34.9%，在5xFAD-M小鼠中平均为27.3%。尽管AD模型小鼠的这一比例数值上略低，但统计学分析表明两组之间并无显著差异。这提示，在疾病早期，那些已经建立并巩固的突触连接可能具有一定的韧性，而突触网络的损害更可能源于新连接形成能力的减弱和/或较新、较不稳定连接的过早丢失。
在体观察到早期淀粉样斑块及其与树突的邻近关系
作为对疾病背景的确认，研究也报告了在体成像中的相关发现。在约6.5月龄的5xFAD-M小鼠中，研究人员在躯体感觉皮层观察到了非常罕见的、具有致密核心和冠状结构的“经典”淀粉样斑块。成像显示，带有树突棘的树突可以出现在斑块附近。尽管以往研究指出靠近斑块（<50微米）的树突棘密度会严重受影响，但在本研究的长期动态观察中，所分析的树突片段与最近的大型斑块距离均超过250微米，表明所观察到的树突棘密度广泛降低并非由邻近斑块的局部毒性直接导致，更可能是反映了大脑皮层更广泛的、与斑块分布无关的早期突触病理状态。
研究结论与意义
这项研究通过创新的5xFAD-M杂交小鼠模型和长期在体双光子成像技术，首次在单突触水平上系统描绘了AD模型小鼠早期（4-6.5月龄）大脑皮层树突棘丢失的动态过程。其核心结论是：在AD病理的早期阶段，躯体感觉皮层锥体神经元的突触后结构（树突棘）已发生显著且进行性的丢失；这种丢失的动力并非源于形成与消除的失衡，而是两者同步受到抑制导致的整体突触重塑活性下降；同时，已经建立的“稳定”突触可能在一定程度上得以保留。
这项研究的意义重大。首先，它在技术层面展示了5xFAD-M杂交模型结合在体成像用于研究AD突触动态的独特优势，为后续干预研究提供了强有力的工具。其次，研究结果将AD早期突触病理的动态特征具体化为“整体抑制”模型，这挑战了简单的“丢失多于获得”的失衡观点，为理解疾病机制提供了新视角。这种整体的突触可塑性下降，可能与早期出现的细胞内Aβ累积、钙信号紊乱、线粒体功能障碍或神经炎症等更上游的病理事件相关，为连接分子病理与环路功能障碍提供了关键线索。最后，该研究强调，在明显的神经元死亡和广泛斑块沉积之前，突触网络的“活力”已然衰竭，这凸显了以突触保护和修复为目标的早期干预策略的极端重要性。这项研究不仅增进了我们对AD早期发病机制的理解，也为开发旨在恢复突触可塑性的新疗法奠定了重要的实验基础。
