爱出辉耀的美杜莎
在大脑的神秘世界中，神经网络的稳定活动就像一根看不见的丝线，维系着神经环路的正常运作。这种稳定性在我们的学习和经验积累过程中显得尤为重要。
神经元，作为信息传递的基本单位，采用多种方式来调节自己的活动，这包括改变自身的兴奋性，以及调节它们接收突触信号的强度与数量。这些机制的具体运作，往往与神经元的类型密切相关。
图片来源：The week
让我们把目光聚焦到大脑皮层。在这里，单个神经元的活动受到兴奋和抑制之间微妙平衡的影响。此平衡通过两类神经元来实现：谷氨酸能锥体神经元和GABA能中间神经元。
锥体神经元的兴奋与抑制性信号的输入保持稳定——皮层兴奋性输入增强，锥体神经元的抑制性输入也会相应增强，形成平衡。这种依赖于细胞活动的抑制性连接重组，需要细胞内部基因的表达水平发生变化，而这些变化又由锥体细胞向其他细胞发出的逆向信号所介导。
尽管中间神经元可能表现出类似形式的可塑性，但皮层GABA能细胞的异质性限制了它们形成相似机制。至于这些中间神经元是如何适应活动变化的，这个问题目前仍然是一个未解之谜，等待着科学家们去探索和揭示。
图片来源：Mingshan Xue等，Nature (2014)
快速放电的篮状细胞是小鼠新皮层中最丰富的GABA能中间神经元类型，它们表达小清蛋白（PV）。PV+中间神经元对锥体神经元的兴奋-抑制输入平衡发挥关键作用。研究显示，PV+中间神经元调节依赖经验的神经可塑性。然而，调节单一PV+中间神经元可塑性的分子、细胞机制，尚未可知。
图片来源：Smitha Karunakaran等，Nature Neuroscience (2016)
2025年4月30日，《Nature》杂志在线刊登了伦敦国王学院Oscar Marín课题组的最新重要工作。他们发现，激活S1内单一PV+中间神经元后，胞内Vgf表达上调，引起其他它PV+中间神经元对其突触连接增加，进而强化其抑制性输入，以实现稳定性平衡。
该研究首次发现单一PV+中间神经元稳定性可塑性的调控作用，并阐释其分子机制，为我们从机制上理解新皮层突触可塑性提供理论基础，意义重大！
前年9月，笔者建立一个神经环路领域爱好者讨论组，我在群内分享最前沿的文章，介绍作者科研背景、研究兴趣以及文章技术亮点。有兴趣的小伙伴可以扫码添加笔者微信以进入讨论组，目前讨论组正在如火如荼地进行(已达1900人)^_^
01
激活PV+中间神经元会强化此神经元的抑制性输入
过去的研究中，有关新皮层稳定性可塑性的研究主要依赖于感觉剥夺范式。但在这些范式中，操纵网络整体活动会妨碍对单个神经元如何响应其活动变化的研究。
为克服这一限制，作者结合少量标记与化学遗传学方法，只激活一小部分PV+中间神经元。他们向新生PV-Cre小鼠的初级体感皮层（S1）2/3层注射少量AAV-DIO-hM3Dq（150 nl, 10 nl/s），使每只小鼠仅感染少量PV+中间神经元，进而讲神经网络带来的群体影响最小化（图1a-c；补充材料1）。他们用CNO处理年轻成年小鼠两天，并使用全细胞电生理技术记录hM3Dq+/PV+中间神经元接受的突触输入。
作者发现，激活hM3Dq+/PV+中间神经元后，在这些神经元记录的mEPSCs幅度和频率未受影响，而mIPSCs幅度与频率均显著增加，兴奋/抑制（E/I）比率下降（图1d-h）。与对照组相比，hM3Dq+/PV+中间神经元的抑制性突触簇密度相显著增加（图1i-j；补充材料2）。以上结果表明，激活S1 PV+中间神经元会增加这些细胞的抑制性突触数量进而强化抑制性输入。
接下来，作者研究抑制PV+中间神经元对其抑制性输入的影响。为此，作者引入hM4Di。给予CNO后， hM4Di+/PV+中间神经元mEPSCs的幅度和频率无变化，mIPSCs频率降低，E/I比率增加（补充材料2）。
综上所述，调节PV+中间神经元活动会导致这些细胞接收的抑制性输入发生补偿性变化，以实现平衡性稳定。那么，平衡性稳定相关抑制性输入的来源是什么呢？
笔者注：神经网络，真的厉害^_^
图1 激活PV+中间神经元会强化此神经元的抑制性输入
02
激活PV+中间神经元强化PV-PV抑制性输入
过去研究显示，PV+中间神经元接收三种中间神经元的抑制性投射：其他PV+中间神经元、SST+中间神经元和VIP+中间神经元。为探究哪类神经元参与PV+中间神经元抑制性输入变化，作者结合光遗传、化学遗传与膜片钳技术，光遗传学激活PV+、SST+、VIP+轴突末梢，记录hM3Dq+/PV+中间神经元。
为此，作者引入PV-Flp/RCLChR2/+（Flex/DIO-ChR2）鼠，并与PV-Cre、SST-Cre、VIP-Cre小鼠交配，得到子代，注射编码Flp依赖性hM3Dq的AAV（图2a）。在CNO处理的小鼠中，hM3Dq+/PV+中间神经元的光诱发抑制性突触后电流（oIPSC）的幅度与电荷显著增加（图2c,d）。而且，此强化作用并非由所有PV+突触的全局突触前增强引起，因为锥体神经元的sIPSCs或oIPSC无变化（补充材料4-5）。
为证实上述现象，作者还使用PV+特异性突触前标记物突触小体素-2（SYT2）量化了PV+中间神经元与hM3Dq+/PV+中间神经元的突触连接。与hM3Dq‑/PV+中间神经元相比，接触hM3Dq+/PV+中间神经元的PV+突触簇的密度显著增加（补充材料6）。综上，提高单一PV+中间神经元活动水平会导致这些细胞从其他PV+中间神经元接收的抑制性突触数量显著增加。
再然后，作者探究SST+和VIP+中间神经元在其中的贡献，发现hM3Dq+/PV+中间神经元的oIPSC无明显变化（图2e-j）表明提升PV+中间神经元的活动水平强化了PV–PV连接，而非来自SST+或VIP+中间神经元的输入。
那么，其分子机制若何呢？
图2 激活PV+中间神经元强化PV-PV抑制性输入
03
激活PV+中间神经元引起Scg2和Vgf转录上调
为回答以上问题，作者引入PV-Flp/Neurod6-Cre小鼠，以实现S1 PV+中间神经元的特异性稀疏标记。Vehicle或CNO处理48小时后，对hM3Dq+/PV+中间神经元行RNA测序（图3a）。作者发现了51个差异表达基因（DEGs），其中37个上调，14个下调（图3b）。在上调基因中，作者识别出几个即刻早期基因（IEGs），如Fos、Fosb和Fosl2，这与CNO处理的hM3Dq+/PV+中间神经元活动增加一致。
而后，他们根据多个标准对DEGs进行了排序——包含表达倍数变化、生物学重复性、预测的蛋白质-蛋白质相互作用强度及蛋白质分泌特性（图3c，附表1）。其中，排名前列的候选基因包括Adamts1（编码一种具有血小板黏附蛋白结构域的蛋白酶，负责切割围绕PV+中间神经元的胶凝素）、Lgals1（编码一种在PV+篮细胞中发育富集的半乳糖凝集素家族糖蛋白、Secretogranin II（Scg2，神经肽编码基因）和Vgf（神经肽编码基因），这些基因均与突触可塑性紧密相关。通过STRING进行蛋白质-蛋白质相互作用网络分析结果显示，许多DEGs构成了一个富含IEGs和其他转录因子的活跃节点，以及两个主要候选基因Scg2和Vgf（图3d）。
结合以上结果，作者确认Scg2和Vgf在激活PV+中间神经元后转录水平上调，他们还使用单分子荧光原位杂交技术进行了验证（图3e,f；补充材料7）。那么，这两个基因功能若何呢？
图3 激活PV+中间神经元引起Scg2和Vgf转录上调
04
Vgf介导PV+中间神经元中的抑制性可塑性
为探究Scg2和Vgf是否在可塑性期间介导PV-PV突触连接的变化，采用shRNA（shScg2、shVgf和作为对照的shLacZ）下调这些基因的表达（补充材料7）。
正如预期，注射shLacZ-hM3Dq且经过CNO处理的小鼠中， PV+中间神经元SYT2+/gephyrin+点密度显著增加，这一效应在shScg2-hM3Dq组小鼠中减弱，在shVgf-hM3Dq组小鼠中完全消失（图4a-c；补充材料8）。以上结果表明，上调Scg2与Vgf（尤其是Vgf）的表达水平是响应hM3Dq+/PV+中间神经元活动变化形成PV-PV突触所必需的。
随后，作者测试在没有未激活条件下，Vgf的过表达是否足以促进PV–PV突触连接的强化。为此，作者采用AAV-DIO-VGF-mCherry，将其注射到P50 PV-Cre小鼠的S1区，并统计注射后十天内抑制性突触密度的变化（图4d；补充材料9）。与邻近对照细胞相比，过表达VGF-mCherry的PV+中间神经元的PV+突触密度显著增加（图4e,f；补充材料9），但mEPSCs或mIPSCs的幅度和频率无明显变化，抑制性PPR亦不变（补充材料9），这表明VGF的过表达并不影响突触强度。
这些实验表明，在不激活神经元条件下，VGF的过表达足以强化PV中间神经元之间的结构连接。然而，这些连接的功能性可塑性似乎需要其他依赖活动的因素。
笔者注：结构可塑性变化不一定影响功能可塑性变化。
图4 Vgf介导PV+中间神经元中的抑制性可塑性
05
条件恐惧上调海马PV+神经元VGF表达并强化PV-PV突触连接
最后，为探究PV-PV连接性的调节过程在生理条件下是否同样发生，作者采用情境相关条件恐惧模型（cFC），部分小鼠CA1 PV+中间神经元在cFC后2小时表达FOS（补充材料10），此范式能够以一定时间窗口激活了一部分PV+中间神经元。
作者在cFC 2小时后量统计了被激活(FOS+)和相邻未被激活(FOS–)PV+中间神经元PV+/SYT2+/gephyrin+突触密度，发现FOS+/PV+中间神经元PV+/SYT2+/gephyrin+突触数量更少（图5a-c）。
由于FOS在神经元活动增加后仅短暂表达，作者使用Cre依赖性强活动标记（CRAM）来标记cFC激活的PV+中间神经元。他们发现，cFC可引起被激活的PV+细胞内Vgf表达上调，PV-PV突触连接降低（图5d-h）。
综上，在条件恐惧引起的神经网络激活过程中，海马CA1内PV+中间神经元内Vgf表达上调，引起PV+抑制性突触连接水平降低。
笔者注：前面都是S1，为何突然做海马呢？前面电生理现象那么好，为何最后都是解剖学结果呢？
图5 条件恐惧上调海马PV+神经元VGF表达并强化PV-PV突触连接
本篇文章十分精彩，但并非完美无瑕：
1、机制方面，咱们看图2，也是本篇文章的核心内容。作者认为激活PV神经元引起抑制性输入的增强主要来源于PV局部环路。首先，作者并未排除其他脑区的抑制性输入；其次，作者记录的是PV神经元，激活的还是PV神经元，尽管作者阐述CNO作用并不改变PV-锥体的oIPSC，不代表CNO作用不改变PV-PV连接；也就是说，PV-PV连接的增强，可能由突触后神经激活引起，也可能由hM3Dq+/PV+神经网络激活的突触前引起；既然作者认为SST和VIP神经元无作用，那么可以在P1 PV-Flp/SST-Cre or VIP-Cre鼠的S1一起注射DIO-hM3Dq，在D56 CNO作用两天，再看看SST/VIP-PV的抑制性投射是否发生改变。
2、敲低Vgf或过表达VGF同样可能强化S1内SST-PV、VIP-PV或其他脑区GABA能神经元-PV的抑制性突触连接。
3、既然VGF过表达后，PV-PV突触增加但mIPSC不变；那么，敲低Vgf影响PV-PV突触数量是不具备信服度的，需要进一步探究mIPSC与oIPSC；最后的海马部分也需要通过电生理验证mIPSC与oIPSC。
4、前面都是S1，图5突然做海马，有点突兀。
5、技术方面，10 nl/s的病毒注射速度是不是有点太快了？
感觉本文，图1-2精彩纷呈，图3-4中规中矩，图5戛然而止，“模板烂尾小说”。
总结
神经活性的稳态平衡至关重要，可确保神经网络的正常运作。在新皮层中，兴奋性锥体神经元和抑制性中间神经元表现出强烈的稳定性可塑性，然其机制未明。本篇文章结合基因敲低与过表达、膜片钳及突触染色方法，阐释了一种关键的细胞过程，S1 PV+中间神经元能够通过此过程适应其活动水平的变化。
本文首次发现，单一PV+中间神经元活动变化诱发了这些细胞接收的抑制性突触数量和强度的双向补偿性调整，此过程主要源自其他PV+中间神经元，Vgf在其中至关重要。该研究首次揭示编码神经肽的基因在调节成年小鼠新皮层中PV+中间神经元之间的突触连接中的核心作用，意义重大！
Selten M, Bernard C, Mukherjee D, Hamid F, Hanusz-Godoy A, Oozeer F, Zimmer C, Marín O. Regulation of PV interneuron plasticity by neuropeptide-encoding genes. Nature. 2025 Apr 30. doi: 10.1038/s41586-025-08933-z. Epub ahead of print. PMID: 40307547.