Transl Psychiatry︱阿尔茨海默病小鼠模型皮质回路可塑性和连接性的早期损害

撰文︱陈   畅

责编︱王思珍

编辑︱杨彬薇

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种以进行性认知功能障碍及行为异常为主要临床表现的中枢神经系统退行性疾病，是最为常见的老年痴呆类型，目前没有有效的治疗策略[1-3]。AD的脑病理特征为β-淀粉样蛋白（beta amyloid，Aβ）异常聚集形成的老年斑，tau蛋白异常磷酸化形成的神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）以及神经元的丢失。这些分子突变体会导致严重的脑网络损伤、突触丢失、炎症和进行性认知能力下降[4,5]。与晚发型AD相比，早发性家族性AD可以由单个遗传突变引起，通常为淀粉样蛋白前体蛋白（APP）或早老蛋白（PSEN1、PSEN2）基因。从早期胚胎的大脑发育到衰老，突变基因及产物将在整个生命周期中表达[6,7]。目前，对于这些突变蛋白是如何影响衰老和退化的大脑已经有许多研究，而人们对其在早期大脑发育过程中的影响知之甚少。

2022年9月，南京大学医学院附属鼓楼医院柏峰和美国亚利桑那大学凤凰城医学院Shenfeng Qiu（仇慎峰）团队在Translational Psychiatry在线发表了题为“Early impairment of cortical circuit plasticity and connectivity in the 5XFAD Alzheimer’s disease mouse model”的论文，该研究揭示了AD模型小鼠多个皮质区域的可塑性缺陷，以及早期皮质回路发育缺陷。陈畅博士为第一作者，柏峰教授与Shenfeng Qiu教授为通讯作者。在该项研究中，作者发现，APP/PS1突变体的表达及其产生的Aβ高负荷能够导致5xFAD小鼠前额叶皮层（PFC）和视觉皮层（VC）早期皮质可塑性发育中断。

5xFAD的PFC及VC区域第5层（L5）神经元均表现出年龄依赖的APP免疫染色强度增加，APP突变形式的早期过表达会损害突触功能和可塑性。有研究已经表明5xFAD小鼠海马CA1区域在4-6月龄时即表现出LTP受损[8]。也有报道说明CA1的LTP早在10周龄时减弱[9]。在成年小鼠中，报道了由于Aβ病理在特定皮质区域的差异所导致的LTP紊乱[10]。考虑到早期APP在L5神经元中选择性高表达，作者首先在早期断奶后（P22-30）小鼠的PFC切片中进行了场电位记录和LTP（记录电极放置在L5，刺激电极位于L2/3），但并没有观察到5xFAD小鼠与Ctrl小鼠的差异。因此作者推断，持续的APP高负荷可能会在较晚的年龄损害PFC区域L5的LTP。结果（图1）表明：LTP在5xFAD小鼠P42-56时急剧降低，而此时正是APP负荷显著上升的时期。

图1. 5xFAD 小鼠在 6-8 周龄时前额叶 LTP 受损

（图源：Chen C et al., Transl Psychiatry, 2022）

接下来，作者研究了突变APP/PS1的过表达如何通过聚集于视觉皮层L5锥体神经元来影响神经元膜特性和内在兴奋性的。作者首先对P28-32 5xFAD和WT小鼠视觉皮层冠状脑切片进行了全细胞膜片钳记录，并测试了L5神经元的膜性质，结果（图2）发现5xFAD与WT小鼠神经元在输入电阻和膜电容上没有差异，并且两组小鼠的神经元显示出相似的动作电位半宽和动作电位阈值。说明两组小鼠视觉皮层L5神经元的模特性并无差异。于是作者继续检测神经元的内在兴奋性。将-100pA-500pA以50pA递增的电流输入神经元，结果（图2）分析显示，5XFAD神经元显示出对当前输入电流的动作电位响应减弱，在300-500pA电流刺激下，动作电位触发频率显著降低。该结果说明：由于APP/PS1突变体的表达，发育中的5xFAD小鼠视觉皮层L5神经元表现出内在兴奋性降低。

图2. 5XFAD小鼠在P28-32时视觉皮层第5层神经元的内在兴奋性降低

（图源：Chen C et al., Transl Psychiatry, 2022）

随后作者探索了转基因突变APP/PS1的表达对视觉皮层发育关键期（P28-32）L5神经元突触活动的影响。作者首先记录了微小兴奋性突触后电流（mEPSC），结果（图3）发现 5XFAD神经元mEPSC的平均振幅降低，而mEPSC频率没有显著差异。接下来记录了微小抑制性突触后电流（mIPSC），结果（图3）发现5XFAD神经元的平均 mIPSC振幅降低，同样mIPSC 频率没有差异。这些mEPSC/mIPSC的变化反映突触前来源（来自L2/3）的自发性输入的改变。mEPSC和mIPSC振幅的降低而频率没有变化则表明，神经元与突触发育相关的突触后机制受损，这可能由于发育缺陷所导致的结果，也可能是由于兴奋性和抑制性突触的早期丧失。

图3. 5XFAD 视觉皮层第5层神经元在发育关键时期（P28-32），突触mEPSC和mIPSC自发性输入减少

（图源：Chen C et al., Transl Psychiatry, 2022）

作者使用 LSPS 映射结合谷氨酸解笼方法研究冠状脑切片中 V1-L5 锥体神经元上的突触连接性。P25-35的5XFAD小鼠和同窝WT小鼠的视觉皮层L5神经元以电压钳钳制，在钳制神经元附近的不同位点，谷氨酸在高能激光刺激下解笼释放活性，激活该位点的神经元产生兴奋性或抑制性电流。电压钳即可记录到钳制神经元胞体的直接反应电流或突触介导的突触后电流。用记录得到的兴奋性或抑制性电流构建局部回路连接的“地图”。在从多个细胞收集映射数据后，我们将5XFAD和WT两组小鼠视觉皮层L5神经元的兴奋性和抑制性输入图谱进行了比较，结果（图4）发现，L5神经元接收来自L2/3的主要输入。量化连通性的强度显示，5xFAD小鼠整体连通性减小。此外，5XFAD神经元中的L2/3组合输入显著减少。量化视觉皮层L5神经元的抑制性输入强度后发现，5xFAD神经元的整体抑制连接模式显著降低。来自L2/3和L5的抑制性输入也显示出显著减少。这些数据表明，在视觉皮层可塑性发育的关键时期，视觉皮层L5神经元的兴奋性和抑制性，尤其是抑制性的突触连接减少。

图4. 5XFAD小鼠视觉皮层第5层神经元在发育关键期皮质内突触连接减少

（图源：Chen C et al., Transl Psychiatry, 2022）

基于以上研究结果，作者提出，5XFAD 小鼠中转基因突变 APP/PS1 过表达可能会影响视觉皮层关键期的可塑性。作者使用单眼剥夺（MD）结合单眼记录来研究5XFAD小鼠关键期可塑性的潜在变化。结果（图5）发现，4天的MD在WT小鼠中将眼球优势指数（ODI）分布曲线向右移动，根据单个ODI评分计算出每只小鼠的对侧偏倚指数（CBI）后，发现MD导致WT小鼠中的CBI评分显著降低。与无剥夺（ND）的WT小鼠ODI值相比， MD之后WT小鼠的ODI值向右移动。而与WT小鼠相比，相同的MD方案没有显著改变5XFAD小鼠的ODI分布曲线。与ND的5XFAD小鼠相比，MD在5XFAD小鼠中对CBI评分没有显著影响。这些结果表明，在视觉皮层发育关键期，MD诱导的眼优势可塑性在5XFAD小鼠中不存在，即5xFAD小鼠单眼剥夺诱导的眼优势可塑性受损。

图5. 5XFAD小鼠视觉皮层关键期可塑性受损

（图源：Chen C et al., Transl Psychiatry, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究在最常用的阿尔茨海默病5XFAD小鼠模型中，揭示了突变形式APP/PS1的过表达会破坏早期皮质回路的发育。这一发现能够补充5XFAD小鼠的突触病理学研究，增强模型的可转化性和实用性，以便帮助开发干预措施来预防或减缓疾病的进展。本研究的主要发现是前额叶皮层和视觉皮层在关键期皮质回路可塑性的早期缺陷。这种缺陷在体内5xFAD小鼠（MD诱导的视觉皮层关键时期可塑性）和离体（前额叶皮层脑切片中的LTP）中检测到，这表明发育期的皮质回路可塑性受损可能是各皮质区域共同的一种功能障碍。但该研究尚未进行5XFAD皮质回路中可塑性损伤的机制研究，突变的APP/PS1和Aβ高负荷可能是前额叶皮层和视觉皮层皮质回路中可塑性损伤的原因，但该研究并不能将其直接相关。转基因突变APP/PS1过度表达对皮质回路的发育具有深远的影响，因此，神经元功能的变化可能从生命初期开始，并且最终影响晚年的神经元变性。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41398-022-02132-4

通讯作者之一：柏峰

（照片提供自：南京大学医学院附属鼓楼医院柏峰）

通讯作者简介（上下滑动阅读） 

柏峰，南京大学医学院附属鼓楼医院神经内科教授、博导，兼南京大学医学院附属泰康仙林鼓楼医院副院长。国家优秀青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才、中国杰出青年神经内科医师、江苏省医学重点人才等。学术兼职：中国卒中学会脑小血管病分会副主任委员、中国医促会神经病学分会青委会副主任委员、江苏省老年医学学会神经病学分会副主任委员、江苏省卒中学会青委会主任委员等。研究方向：认知障碍的神经影像学特征及其分子机制，发表SCI论文90余篇，主持国自然基金项目5项以及省部级项目7项，研究成果作为重要组成部分获得省部级科技进步奖一等奖4项。

往期文章精选

优质科研培训课程推荐

会议/论坛预告

欢迎加入“逻辑神经科学”

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Dubois B, Villain N, Frisoni GB, Rabinovici GD, Sabbagh M, Cappa S, et al. Clinical diagnosis of Alzheimer’s disease: recommendations of the International Working Group. Lancet Neurol. 2021;20:484–96.

[2] Panza F, Lozupone M, Logroscino G, Imbimbo BP. A critical appraisal of amyloidbeta-targeting therapies for Alzheimer disease. Nat Rev Neurol. 2019;15:73–88.

[3] Yu M, Sporns O, Saykin AJ. The human connectome in Alzheimer disease-relationship to biomarkers and genetics. Nat Rev Neurol. 2021;17:545–63.

[4] Palmqvist S, Scholl M, Strandberg O, Mattsson N, Stomrud E, Zetterberg H, et al. Earliest accumulation of beta-amyloid occurs within the default-mode network and concurrently affects brain connectivity. Nat Commun. 2017;8:1214.

[5] Sperling RA, Laviolette PS, O’Keefe K, O’Brien J, Rentz DM, Pihlajamaki M, et al. Amyloid deposition is associated with impaired default network function in older persons without dementia. Neuron. 2009;63:178–88.

[6] Gaiteri C, Mostafavi S, Honey CJ, De Jager PL, Bennett DA. Genetic variants in Alzheimer disease - molecular and brain network approaches. Nat Rev Neurol. 2016;12:413–27.

[7] Sims R, Hill M, Williams J. The multiplex model of the genetics of Alzheimer’s disease. Nat Neurosci. 2020;23:311–22.

[8] Forner S, Kawauchi S, Balderrama-Gutierrez G, Kramar EA, Matheos DP, Phan J, et al. Systematic phenotyping and characterization of the 5xFAD mouse model of Alzheimer’s disease. Sci Data. 2021;8:270.

[9] Li N, Li Y, Li LJ, Zhu K, Zheng Y, Wang XM. Glutamate receptor delocalization in postsynaptic membrane and reduced hippocampal synaptic plasticity in the early stage of Alzheimer’s disease. Neural Regen Res. 2019;14:1037–45.

[10] Crouzin N, Baranger K, Cavalier M, Marchalant Y, Cohen-Solal C, Roman FS, et al. Area-specific alterations of synaptic plasticity in the 5XFAD mouse model of Alzheimer’s disease: dissociation between somatosensory cortex and hippocampus. PLoS One. 2013;8:e74667.

本文完