J Neurosci︱胡波课题组揭示背侧海马小清蛋白阳性中间神经元在联合型运动学习中的作用及其网络活动机制

撰文︱胡  波，李容瑢

责编︱王思珍

编辑︱夏  叶

将两个不同时间发生的事件联系起来，进而做出适宜的动作行为，这种联合型运动学习（Associative motor learning）是大脑重要的高级功能之一，其在诸如老化和精神疾患等病理状态下容易受到损害[1-2]。因此，全面揭示联合型运动学习的机制对于预防和缓解疾病状态下该功能的损害具有重要启示意义。既往研究认为，背侧海马在联合型运动学习发挥重要作用[3]。例如，背侧海马锥体细胞（Pyramidal cell，PYR）在联合型运动学习过程中放电活动增强，抑制PYR放电活动则可显著损害联合型运动学习发生[4-5]。但需要注意的是，若过度兴奋海马PYR同样会损害联合型运动学习，这就提示可能还有其它因素共同参与此过程。新近发现，光遗传抑制海马中间神经元或选择性敲除海马中间神经元表达的γCamKII蛋白均会损害小鼠的联合型学习能力[6,7]。在海马众多类型的中间神经元中，小清蛋白阳性中间神经元（Parvalbumin-expressing interneuron，PV-IN）可被锥体细胞所兴奋，并通过胞体和近端树突支配的方式反过来对锥体细胞进行抑制调控[8]。尽管如此，海马PV-IN在联合型运动学习过程中放电活动特征和作用，及其潜在机制目前仍不清楚。

2022年9月27日，陆军军医大学的胡波课题组在Journal of Neuroscience上发表了题为“Sustained activity of hippocampal parvalbumin-expressing interneurons supports trace eyeblink conditioning in mice”的文章，揭示了背侧海马PV-IN在联合型运动学习过程中的作用及其网络振荡机制。李容瑢、张维维和张洁为论文共同第一作者，胡波教授和陈浩副教授为论文通讯作者。作者以痕迹性眨眼条件反射（Trace eyeblink conditioning，tEBC）为联合型运动学习行为模型，综合利用在体多通道记录、光遗传刺激、神经信号计算分析等技术方法，解析背侧海马PV-IN在tEBC建立过程中的活动模式及其变化规律，并确定PV-IN活动在tEBC建立过程中的作用及其网络振荡机制。该研究结果表明，PV-IN持续放电活动在tEBC建立中发挥关键作用，其可能通过与PYR的相互作用特异性调控背侧海马Gamma频带振荡参与此过程。（拓展阅读：胡波团队最新研究成果，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Neurosci Bull︱胡波课题组揭示投射至腹内侧丘脑的小脑深核神经元特异参与联合型感觉-运动学习行为的调控）

首先，作者综合利用光遗传刺激和多通道记录技术，在体条件下特异性标记小鼠背侧海马PV-IN。进一步，作者研究了PV-IN在tEBC建立过程中的活动模式及其变化（图1）。作者发现，条件刺激（Conditioned stimulus，CS）可以诱发海马PV-IN放电活动的增强（图1A-C）。特别是，该放电增强活动在CS结束后并不会停止，而可持续到非条件刺激（unconditioned stimulus, US）开始，在时间上跨越CS至US的整个间隔期间（图1A-C），故呈现出持续放电（Sustained activity）模式。在tEBC学习早期阶段，配对训练组小鼠海马PV-IN持续放电显著强于假配对训练组（图1D-F）。而在tEBC学习后期阶段，配对训练组小鼠海马PV-IN持续放电显著减弱，其强度与假配对训练组相当（图1G-I）。这就表明，联合型运动学习过程中，海马PV-IN呈现持续放电活动，并在学习早期最为显著。

图1 背侧海马PV-IN在tEBC学习早期阶段表现出更强的持续放电活动

（图源：Li, R. et al., J Neurosci, 2022）

接下来，为确定海马PV-IN持续放电活动在tEBC建立中的作用，作者利用光遗传技术抑制PV-IN持续放电活动，并观察其对tEBC建立的影响。结果显示，特异抑制海马PV-IN持续放电活动会显著抑制小鼠tEBC的建立（图2）。这提示，PV-IN的持续放电活动是tEBC建立所必需的神经活动。

图2 背侧海马PV-IN持续放电活动是tEBC建立所必需的

（图源：Li, R. et al., J Neurosci, 2022）

进一步，作者研究了海马PV-IN呈现持续放电活动的可能机制。通过分析同一阵列电极记录到的海马PYR和PV-IN峰电位时间，作者可以计算PYR峰电位出现后1-3 ms时间窗内PV-IN发放峰电位的概率，进而评估PYR对PV-IN的潜在兴奋驱动效应（图3A-B）。作者发现：在tEBC学习早期阶段，配对训练组小鼠海马PYR对PV-IN的潜驱动效应显著强于非配对训练动物，且这种驱动效应的强弱与tEBC建立正相关（图3C-E）。与此不同，在tEBC学习后期阶段，配对训练组小鼠海马PYR对PV-IN的驱动效应与非配对训练动物相当，且其与tEBC建立的无显著相关性（图3F-H）。由于大量海马PYR在tEBC建立早期持续发放增强[4-6]，这就提示，PYR对PV-IN的兴奋驱动作用可能参与学习早期PV-IN持续放电活动的产生。

图3  tEBC学习早期呈现更强的PYR对PV-IN兴奋驱动效应

（图源：Li, R. et al., J Neurosci, 2022）

进一步，作者研究了光遗传抑制PV-IN持续放电活动对PYR-PVIN相互作用的影响。结果显示，光遗传抑制PV-IN持续放电活动不会显著影响PYR和PV-IN的平均放电频率（图4A-D），但会显著降低PYR对PV-IN的兴奋驱动效应（图4E）。这提示，光遗传抑制PV-IN持续放电活动可能会是干扰PYR与PV-IN相互作用的有效方法。

图4  光遗传学抑制PV-IN持续放电活动损害PYR-PVIN之间的相互作用

（图源：Li, R. et al., J Neurosci, 2022）

接下来，作者进一步研究了通过抑制PV-IN持续放电活动、干扰PYR-PVIN相互作用，对背侧海马网络振荡的影响。结果显示，tEBC学习会增强CS-US间隔期的Gamma频带（35-85 Hz）振荡活动，而抑制PV-IN持续放电活动会显著降低这种tEBC学习依赖的Gamma频带振荡增强（图5A- B）。需要注意的是，抑制PV-IN持续放电活动对CS-US间隔期海马振荡的影响只出现在Gamma频带，而不出现在Theta（5-12 Hz）频带（图5A- B）。此外，抑制PV-IN持续放电活动不会显著损害US期间的海马Gamma和Theta频带振荡活动（图5C）。这些结果提示，PV-IN持续放电活动参与了联合型运动学习相关的Gamma频带振荡活动增强。

为了进一步明确Gamma频带振荡活动增强是否有益于tEBC建立，作者以40Hz频率兴奋PV-IN，人工诱导产生背侧海马Gamma频带振荡活动，观察其对tEBC建立的影响（图6A-C）。结果显示，在tEBC学习的第1和2天，光遗传兴奋PV-IN、人工诱导背侧海马Gamma频带振荡活动，可以显著促进学习后期tEBC的建立（图6D）。综上结果提示，PV-IN持续放电活动参与增强联合型运动学习期间背侧海马Gamma频带振荡，而Gamma振荡活动增强能够促进tEBC建立。

图5 光遗传学抑制PV-IN持续放电活动损害Gamma而非Theta频带振荡活动

（图源：Li, R. et al., J Neurosci, 2022）

图6 兴奋PV-IN诱导Gamma频带振荡促进tEBC建立

（图源：Li, R. et al., J Neurosci, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，研究者利用在体多通道记录、光遗传学刺激技术，结合神经计算等分析方法，发现背侧海马PV-IN在以tEBC为代表的联合型运动学习过程中会呈现持续放电活动。特别是，PV-IN持续放电活动在tEBC学习早期阶段最为显著，其产生可能部分源于PYR对PV-IN的兴奋驱动效应。在功能上，PV-IN持续放电活动是tEBC建立所必需，且其可能是通过调控背侧海马Gamma频带振荡活动来发挥作用。总之，该项研究为全面揭示背侧海马参与联合型运动学习的细胞和网络活动机制提供了新的认识。当然，该研究还存在一些待解决的问题。例如，仅通过神经信号计算分析的方法推测PV-IN持续放电活动信号来源具有一定局限性。理论上，敲除PYR-PVIN突触部位的受体，特异性降低PYR对PV-IN的驱动效应，将是确定PV-IN持续放电活动来源关键和更为可信的方法。

原文链接：https://www.jneurosci.org/content/early/2022/09/26/JNEUROSCI.0834-22.2022

胡波教授和陈浩副教授整体设计本项研究，李容瑢、张维维和张洁博士为本文第一作者，张海波和陈辉参与本课题的研究，胡志安和姚忠祥教授对项目开展和论文撰写进行了指导。该项目研究得到了国家自然科学基金创新群体项目、国家自然科学基金面上项目和青年项目、重庆市教委高校重点实验室开放课题、以及陆军军医大学科技创新能力提升专项课题的资助。

通讯作者：胡波（左一）、陈浩（左二），第一作者：李容瑢（右一）、张维维（右二）

（照片提供自：胡波实验室）

作者简介：

胡波，陆军军医大学基础医学院生理学教研室副主任、教授、博士生导师，重点开展：（1）睡眠促进记忆巩固的生理学机制和（2）小脑非运动功能的神经环路机制两个方向的研究。先后获得了4项国家自然科学基金、1项军队后勤科研重点项目子课题、1项军委科技委国防创新特区项目、1项重庆市自然科学基金的资助。获授权国家发明专利2项。先后在Nature Neuroscience, Neuron, Journal of Neuroscience, Cerebral Cortex, Neuroscience & Biobehavioral Reviews, Neuroscience Bulletin, Cerebellum等刊发表论文。

往期文章精选优质科研培训课程推荐【1】单细胞测序与空间转录组学数据分析研讨会（10月29-30日 腾讯在线会议）【2】膜片钳与光遗传及钙成像技术研讨会（2022年10月15-16日 腾讯会议）会议/论坛预告&回顾欢迎加入“逻辑神经科学”【1】人才招聘︱“ 逻辑神经科学 ”诚聘文章解读/撰写岗位 ( 网络兼职, 在线办公)

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Oh MM, Disterhoft JF (2020). Learning and aging affect neuronal excitability and learning. Neurobiol Learn Mem,167:107133.[2] Kent JS, Bolbecker AR, O'Donnell BF, Hetrick WP (2015). Eyeblink Conditioning in Schizophrenia: A Critical Review. Front Psychiatry. 2015, 6:146.[3] Pilkiw M, Takehara-Nishiuchi K (2018).Neural representations of time-linked memory. Neurobiol Learn Mem. 2018,153:57-70.[4] Klee JL, Souza BC, Battaglia FP (2021). Learning differentially shapes prefrontal and hippocampal activity during classical conditioning. Elife, 10: e65456.[5] Hattori S, Chen L, Weiss C, Disterhoft JF (2015). Robust hippocampal responsivity during retrieval of consolidated associative memory. Hippocampus, 25:655-669.[6] Zhang WW, Li RR, Zhang J, Yan J, Zhang QH, Hu ZA, et al (2021). Hippocampal interneurons are required for trace eyeblink conditioning in mice. Neurosci Bull, 37(8):1147-1159.[7] He X, Li J, Zhou G, Yang J, McKenzie S, Li Y, et al. (2021). Gating of hippocampal rhythms and memory by synaptic plasticity in inhibitory interneurons. Neuron, 109:1013-1028.e9.[8] Pelkey KA, Chittajallu R, Craig MT, Tricoire L, Wester JC, McBain CJ (2017). Hippocampal GABAergic Inhibitory Interneurons.Physiol Rev, 97:1619-1747.

本文完