脊柱结构可塑性的生化计算

脊椎头部的可塑性

脊柱头部的体积与脊柱中突触后密度（PSD）的面积、其突触伴侣的突触前面积、突触AMPAR的数量和AMPAR介导的电流的幅度成正比(哈里斯和史蒂文斯，1989年;松崎等人，2001年;Schikorski和Stevens，1997年;Takumi等人，1999年). 因此，脊椎的形态与突触功能紧密相连，脊椎体积的变化被认为是突触可塑性的重要基质。事实上，许多研究表明，LTP和LTD（长期抑郁）分别与脊柱增大和收缩有关(德斯蒙德和利维，1983年;Hayama等人，2013年;松崎等人，2004年;Nagerl等人，2004年;Oh等人，2013年;Okamoto等人，2004年;范·哈雷维德和菲夫科娃，1975年;Zhou等人，2004年). 双光子谷氨酸开盖技术的发展促进了脊柱结构可塑性的研究。这种技术可以选择性地刺激单个脊椎，同时用双光子显微镜对受刺激脊椎的形态进行成像(松崎等人，2001年). 研究发现，低镁条件下重复谷氨酸去壳²⁺（名义上为零）状态会在最初几分钟内诱导海马CA1锥体神经元的脊椎头部快速短暂扩大。接下来是持续数小时的音量变化(Lee等人，2009年;松崎等人，2004年). 脊椎扩大的这个时间过程与镁离子存在时高频电刺激Schaffer侧支轴突诱发的过程相似²⁺(松崎等人，2004年). 受刺激脊椎的形态学变化与突触后谷氨酸敏感性增加有关。这些形态和功能变化仅在受刺激的脊椎中观察到，而在邻近的脊椎却没有观察到，这表明LTP可以在单个脊椎水平上以输入特定的方式诱导(图1a). 在这篇综述中，我们将这种脊柱形态可塑性称为结构LTP。

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图1

脊柱结构塑性

（a） LTP期间的结构塑性：在低镁条件下，在单个脊柱重复进行MINI-谷氨酸盐（0.5-2Hz，持续1min）的双光子去壳²⁺（名义上为零）状态或伴随突触后去极化会在几分钟内导致脊椎头部迅速扩大。增大的脊椎体积在~5分钟内逐渐减小到稳定状态，并持续一个多小时(Lee等人，2009年;松崎等人，2004年). PSD和突触前增加，延迟0.5-3小时(Bosch等人，2014年;Meyer等人，2014年). 请注意，脊柱体积的扩大仅限于受刺激的脊柱（输入特异性LTP）。

（b） LTD期间的结构塑性：据报道，不同的LTD诱导方案会产生不同的结构塑性。低细胞外钙中的低频谷氨酸开盖（0.1Hz下90次脉冲）²⁺（0.3mM）和镁²⁺（名义上为零）浓度或与突触后去极化相结合会导致仅限于受刺激脊椎的脊椎收缩（特定输入LTD）(Oh等人，2013年) (上面的). 相邻树突轴的GABA去盖后不久（<50 ms），B-AP与单个脊柱随后的2-光子谷氨酸去盖脉冲（~10 ms）配对（1Hz时80个脉冲）会导致受刺激脊柱和相邻非受刺激脊柱的体积减少（扩散性抑制）(Hayama等人，2013年) (中间的). 突触前CA3锥体神经元表达通道视紫红质-2（900光脉冲为1Hz）的光遗传刺激可诱导突触后CA1神经元功能性LTD，但不会导致脊髓收缩。然而，几天后，受刺激的脊椎和许多邻近的突触被移除（突触-非特异性脊椎修剪）(Wiegert和Oertner，2013年) (降低).

（c） 异突触LTD：谷氨酸解卡对单个树突节段上多个棘的LTP刺激导致附近未刺激棘的收缩(Oh等人，2015年).

（d） 谷氨酸去甲化诱导的脊髓发育：树突轴处的双光子谷氨酸去乙化（2Hz下40脉冲）触发快速从头开始幼年神经元的脊髓发生(Kwon和Sabatini，2011年).

（e） 与结构可塑性相关的突触串扰：将重复的谷氨酸去激活（30个脉冲，0.5Hz，4ms脉冲持续时间）应用于单个脊柱以诱导LTP。然后，将本身不会触发LTP的阈下刺激（30个0.5Hz脉冲，1ms脉冲持续时间）应用于附近的脊椎。这在弱刺激的脊柱中诱导持续的结构和功能LTP(哈维和斯沃博达，2007年;Harvey等人，2008年).

与功能性LTP相似，结构性LTP有两个不同的时间阶段：蛋白质合成依赖性LTP早期（E-LTP）和蛋白质合成依赖的LTP晚期（L-LTP）(Bosch等人，2014年;Govindarajan等人，2011年). 谷氨酸去钙结合突触后去极化或BDNF或forskolin（cAMP信号激活剂）浴敷可在单个脊髓中诱导L-LTP(Govindarajan等人，2011年;田中等人，2008年a). 值得注意的是，结构和功能可塑性至少部分共享其信号通路：它们都需要钙²⁺通过突触后NMDAR流入，激活CaMKII和小GTPase，以及肌动蛋白聚合(Harvey等人，2008年;Kim等人，2014年;Lee等人，2009年;松崎等人，2004年;Murakoshi等人，2011年). 虽然结构和功能可塑性在某些条件下可以分离(Kopec等人，2007年;Sdrulla和Linden，2007年;Wang等人，2007年)这些结果表明，LTP和脊柱增大的潜在机制之间存在大量重叠。

除了LTP外，还发现了两种使用2-光子谷氨酸盐解套诱导LTD和脊柱收缩的方案(Hayama等人，2013年;Oh等人，2013年). 在第一种方案中，低钙中的低频谷氨酸开盖（0.1 Hz）²⁺（0.3mM）突触后去极化或名义上零镁的细胞外溶液²⁺可导致脊椎特异性LTD和脊椎收缩(图1b). 第二种方案要复杂得多：在背向传播动作电位（b-APs）前约10毫秒，在树突状轴处进行GABA去盖，然后在单个脊椎处进行谷氨酸去盖，已被发现会导致LTD和脊椎收缩。有趣的是，该方案会导致周围非刺激性脊椎的体积收缩，这些脊椎位于距受刺激脊椎约15μm的范围内，也包括受刺激脊柱(图1b). 这种形式的LTD需要抑制bAP诱发的Ca²⁺GABA开盖瞬变。GABA信号传导似乎并不编码精确的时间信息，因为GABA受体的简单药理学激活可以取代GABA去俘获。

脊柱颈部的可塑性

据推测，由于颈部的电阻，脊椎起到了电气隔间的作用(Segev和Rall，1988年). 电分隔放大了脊椎内的局部兴奋性突触后电位（EPSP），并在脊椎和树突轴之间产生电压梯度，与脊椎内相比，树突和体细胞兴奋性突触后电位（epSP）降低。在具有电压依赖电导的脊椎中，电压可以进一步放大(Bywalez等人，2015年;Grunditz等人，2008年;Yuste，2013年). 根据电缆理论或测量的扩散通量计算得出的脊柱颈部阻力的间接估计值差异很大(Bloodgood和Sabatini，2005年;哈里斯和史蒂文斯，1989年;Svoboda等人，1996年;Yuste，2011年). 然而，最近的证据支持了脊椎颈部电分隔的观点。一项使用谷氨酸对单个脊髓进行非激活的全细胞记录的研究表明，刺激颈部较长的脊髓会在第5层锥体神经元的胞体产生较小的EPSP(Araya等人，2006年;Araya等人，2014年)虽然在嗅球颗粒神经元中没有观察到这种相关性(Bywalez等人，2015年). 此外，Ca²⁺阈下突触刺激可诱发脊髓内通过NMDAR和电压敏感钙通道（VSCC）的瞬态，其程度与脊椎颈部的电压放大一致(Bloodgood等人，2009年;Grunditz等人，2008年;Kovalchuk等人，2000年;Yuste和Denk，1995年). 电压门控的钠通道也被显示为在谷氨酸解套刺激的棘内局部激活，谷氨酸解套打开高压激活的Ca²⁺嗅球颗粒神经元的通道(Bywalez等人，2015年). 此外，通过比较Ca来测量脊椎和树突中EPSP的比率²⁺脊椎电压变化引起的升高，以及谷氨酸去盖引起的升高（在NMDA受体抑制剂存在的情况下引起等效电压变化）。实验表明，脊椎具有较高的颈部阻力，可将局部突触去极化放大约50倍(Harnett等人，2012年). 尽管颈部电阻的确切值尚不清楚，但这些结果表明，脊椎可以充当电气隔间。

重要的是，脊椎颈部的扩散是由神经元活动动态调节的(Bloodgood和Sabatini，2005年;Grunditz等人，2008年;Tonnesen等人，2014年). 通过荧光蛋白的光漂白（FRAP）后的荧光恢复或可光活化的GFP（PA-GFP）的光活化后的荧光衰减来测量脊柱和树突之间的扩散耦合。这些研究表明，在与b-AP配对的脊椎处的双光子谷氨酸去极化或突触后去极化几分钟后，耦合时间增加(Bloodgood和Sabatini，2005年;Grunditz等人，2008年)这表明高神经元活性可导致较高的颈部阻力。相比之下，一项研究发现，由2-光子谷氨酸去钙与b-AP配对诱导的蛋白质合成依赖性LTP与脊柱颈的增宽有关(田中等人，2008年a). 此外，最近一项使用基于刺激性任务消耗（STED）的超分辨率成像的研究表明，在用2-光子谷氨酸去钙诱导LTP后，脊柱颈部变得越来越宽越来越短(Tonessen等人，2014年) (图1a). 因此，LTP诱导似乎导致了棘颈电阻的降低。然而，由于颈部加宽抵消了头部增大导致的生化分区增加，因此在结构LTP期间脊柱和树突之间的扩散耦合程度似乎没有改变。颈部电阻的降低会降低脊椎中的电压放大，因此可能会降低进一步诱发LTP的可能性。另一方面，较短和较宽的颈部可能有助于资源从树突运输到经历LTP的脊椎(Tonnesen等人，2014年).

由于棘颈可塑性可以改变颈部的电过滤，这可能是突触可塑性期间改变胞体EPSP的一种机制(Araya等人，2014年). 然而，根据使用超分辨率显微镜测量脊椎形态的数学模拟，脊椎颈可塑性对被动状态下躯体EPSP的振幅影响相对较小(Tonnesen等人，2014年). 因此，脊髓颈可塑性的作用似乎主要是调节脊髓中的局部电压放大和生化分区。

脊椎颈部可塑性的分子机制尚不清楚，但有几种蛋白质被确定位于脊椎颈部。特别是，众所周知，GTPase的高度保守家族septins可组装成异寡聚体复合物和高阶结构，如纤丝、环和纱布。有趣的是，有报道称，septin-7与septin-5/11形成复合物，定位于脊柱颈的底部(Tada等人，2007年;谢等人，2007)并作为包括GluA2在内的膜蛋白的扩散屏障(Ewers等人，2014年). 由于间隔蛋白通过在芽颈处形成环来调节有丝分裂过程中酵母质膜的区室化(Barral等人，2000年;Takizawa等人，2000年)，它也可能在调节脊柱颈部的宽度方面发挥重要作用。此外，最近的一项研究表明，Ankyrin-G是一种将跨膜蛋白连接到潜在的蛋白-肌动蛋白细胞骨架的适配器，在脊椎头部和颈部形成独特的纳米结构域(Smith等人，2014年). 有趣的是，纳米结构域将AMPAR限制在脊椎中，可能起到扩散屏障的作用。此外，Ankyrin-G在脊柱颈部的存在与较大的头部容积密切相关。当脊椎中的主要亚型Ankyrin-G的190kDa亚型过度表达时，颈部宽度和头部体积显著增加。这些结果表明，在脊柱结构可塑性过程中，septin和Ankyrin-G可能调节脊柱颈部的形态和功能。

PSD和突触前的可塑性

脊髓头部容积与突触前活动区和PSD的大小密切相关(哈里斯和史蒂文斯，1989年;Schikorski和Stevens，1997年;Takumi等人，1999年). 因此，与LTP相关的脊柱生长应伴随着活动区、PSD和潜在的其他脊柱亚结构的生长。事实上，最近的研究表明，这是单脊柱水平的情况。在LTP诱导后的最初几分钟内，肌动蛋白细胞骨架生长，肌动素和肌动蛋白结合蛋白如profilin和cofilin迅速积累到受刺激的脊椎中(Bosch等人，2014年). 相反，PSD蛋白的数量和PSD的大小在这个时间段没有增加(Bosch等人，2014年;Steiner等人，2008年). 然而，经过几个小时的延迟，PSD支架蛋白如Homer1b、PSD-95和shank1b缓慢积累，PSD的大小增加(Bosch等人，2014年;Meyer等人，2014年) (图2a). 发现这些变化后突触前终末生长缓慢，提示在谷氨酸介导的LTP期间存在动态逆行信号(Meyer等人，2014年). 这些结果表明，在LTP诱导后的几个小时内，整体突触结构逐渐重新标度(图1a).

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图2

结构LTP期间信号活动的时空动态

（a） 2光子谷氨酸去钙诱导的结构LTP期间信号活动的时间尺度（0.5-20 Hz）。脊椎特定信号和传播信号分别以绿色和橙色表示。典型LTP诱导方案（0.5 Hz）的谷氨酸去激活时间以红色条显示。

（b） 钙²⁺在单棘或7棘（ERK）诱导的结构性LTP过程中，CaN、CaMKII、cdc42、RhoA、H-Ras、cofilin、nuclear ERK的升高、活性以及Homer1b的积累。箭头和圆圈显示的是谷氨酸开盖刺激的脊椎。ERK的比例尺（白色）为10μm，其他比例尺为1μm。图像采用和修改自(翟等，2013)对于Ca²⁺和ERK(Fujii等人，2013年)对于CaN(Lee等人，2009年)对于CaMKII(Murakoshi等人，2011年)对于RhoA和cdc42(Harvey等人，2008年)对于H-Ras和(Bosch等人，2014年)在获得许可的情况下用于cofilin和Homer1b。加利福尼亚州²⁺高程用Ca可视化²⁺指示灯Fluo-4FF（绿色）和Alexa-594（红色）。注意Ca²⁺显示LTP感应协议期间第一个非开盖脉冲（1 Hz，60脉冲）的响应提升。利用2pFLIM结合FRET传感器对CaMKII、cdc42、RhoA、H-Ras、cofilin和核ERK活动进行成像。利用双FRET和光学操纵（dFOMA）可视化CaN活动。用GFP标记-Homer1b和RFP（细胞填充）观察Homer1b在脊椎中的积累。注意，Ca²⁺CaMKII、cdc42和cofilin的升高和激活仅限于受刺激的脊髓，而CaN、RhoA和H-Ras的激活扩散到树突轴和附近的脊髓。

有趣的是，SynGAP是PSD中最丰富的蛋白质之一(Cheng等人，2006年)，在化学LTP诱导的几分钟内与PSD分离(Araki等人，2015年). SynGAP的这种分散状态持续了半个多小时。由于SynGAP是Ras的灭活剂，Ras是维持LTP所需的信号蛋白(Harvey等人，2008年;Zhu等人，2002年)，SynGAP去磷酸化可能有助于增加受刺激脊髓中Ras的活性，从而稳定LTP。虽然尚不清楚PSD中SynGAP的量是否最终与PSD的大小一致，但PSD和脊椎的蛋白质含量似乎在脊椎结构可塑性期间发生了显著变化。

脊柱形成和消除

除了原有脊椎结构的改变外，LTP诱导还与新脊椎和丝状伪足的形成有关(Engert和Bonhoeffer，1999年;Maletic-Savatic等人，1999年;Nagerl等人，2004年;Nagerl等人，2007年;Toni等人，1999年). 一项研究表明，大脑皮层年轻层2/3锥体神经元树突状轴处的2-光子谷氨酸开盖足以诱导快速反应从头开始谷氨酸非激活刺激期间，受刺激点几微米内和几十秒内的自旋发生(Kwon和Sabatini，2011年) (图1d). 新形成的脊髓具有功能，因为它们通过AMPAR和NMDAR对突触诱发的谷氨酸释放作出反应。这项研究还表明，脊椎形成不一定需要中间丝足期，谷氨酸足以组装成核脊椎形成所需的机械。新形成的脊椎的长期稳定似乎需要进一步增强(Hill和Zito，2013年).

在相反的方向上，已知LTD诱导可以以NMDAR依赖的方式消除预先存在的脊椎(图1b) (Bastrikova等人，2008年;Nagerl等人，2004年;Okamoto等人，2004年;Zhou等人，2004年). 最近的一项研究追踪了LTD诱导后7天内器官型海马脑片中脊椎的命运(Wiegert和Oertner，2013年). 通过将突触前CA3锥体神经元表达通道视紫红质2的光遗传刺激与突触后CA1神经元表达G-CaMP3的脊髓钙成像相结合，对单个突触进行光刺激，并用钙离子监测其活动²⁺响应。在这个范式中，他们观察到成功率和突触后钙振幅的降低²⁺LTD诱导后的瞬变，表明这种LTD是由突触后和突触前机制诱导的。有趣的是，经过几天的LTD诱导后，这些被抑制的突触及其相邻突触被消除(图1b). 抑制性突触的延迟消除似乎与最初LTD的程度无关，但最初神经递质释放概率较低的突触（在LTD诱导前测量）倾向于更选择性地消除。令人惊讶的是，在LTD诱导7天后，其余突触的效能从抑郁中恢复。因此，在LTD之后的几天里，受刺激的神经元改变了调节突触强度的方式，从对每个突触潜能的“模拟”调节转变为对突触数量的“数字”调节。

钙感应

突触刺激产生短钙²⁺瞬态主要局限于受刺激的脊椎(Mainen等人，1999年;Noguchi等人，2005年;Sobczyk和Svoboda，2007年;Yuste和Denk，1995年). 加利福尼亚州²⁺瞬态仅持续~0.1s，重复时启动对LTP和LTD至关重要的生化信号转导(图2). 当Ca²⁺通过NMDAR流入脊椎，与钙调素（CaM）结合并激活钙²⁺/钙调素依赖性激酶II（CaMKII）。已经很好地确定，这个Ca²⁺-CaM-CaMKII信号级联是LTP诱导所必需的第一个反应(Lisman等人，2012年) (图2a). 结构LTP过程中CaMKII激活的动力学是通过使用2pFLIM和基于FRET的CaMKII传感器对CaMKII活性进行成像来确定的(Lee等人，2009年;Takao等人，2005年). 研究表明，在CA1锥体神经元中，谷氨酸去激活LTP可触发仅限于受刺激脊髓的CaMKII快速激活。这种活动以约10秒的时间常数衰减(图2b). 这些结果表明，CaMKII可以作为延长短Ca的中继²⁺在毫秒级的时间尺度上瞬态到秒级的信号(图2). 因此，下游信号分子需要进一步延长LTP持续数分钟或数小时的信号。

除了CaMKII，钙调神经磷酸酶（CaN），一种钙依赖性磷酸酶，在分离神经元的脊柱扩大过程中被激活(Fujii等人，2013年). 在这项研究中，作者开发了双FRET系统，并同时成像CaMKII和CaN对谷氨酸在单棘上的去盖作用的活性。他们报告说，强烈的非激活刺激可以激活CaMKII和can，具有相似的时间动力学，激活时间窗为1分钟(图2a). 然而，它们激活的空间分布是不同的。当CaMKII活化在受刺激的脊椎内被分隔时，CaN活性扩散到数微米并侵入邻近的脊椎(图2b). 当刺激较弱时，只有CaN被激活，并且激活仅限于受刺激的脊椎。来自受激脊髓的CaN扩散对异突触LTD可能很重要(Oh等人，2015年)因为这种LTD形式取决于CaN。

肌动蛋白细胞骨架的调节

肌动蛋白丝构成树突棘的主要细胞骨架，因此是棘形态的重要决定因素。脊椎细胞骨架中的肌动蛋白单体由于在单体G-Actin和丝状F-Actin（称为跑步机）之间的动态循环而经历持续快速的转换(Chazeau等人，2014年;弗罗斯特等人，2010年;Honkura等人，2008年;Star等人，2002年). 由于平衡在一端（倒刺端）比另一端（尖端）更倾向于F-actin，因此每个actin单体都经历了一个与倒刺端结合、向尖端移动和在尖端解绑的循环。因此，肌动蛋白单体在跑步机上的流动指示了纤丝的方向。通过paGFP标记的肌动蛋白的光激活，可以观察到脊椎内的跑步机运动动力学，这些研究揭示了肌动蛋白单体从脊椎顶端向底部的逆行流动(弗罗斯特等人，2010年;Honkura等人，2008年). 然而，最近基于单粒子追踪和光激活定位显微镜（PALM）的超分辨率成像研究表明，脊椎头部的肌动蛋白流动方向高度不均匀且无方向性(Chazeau等人，2014年;弗罗斯特等人，2010年). 相反，气流方向更为定向，朝向脊柱颈部的树突轴(弗罗斯特等人，2010年). 肌动蛋白的无定向流动与电子显微镜观察到的脊椎肌动蛋白细胞骨架的相对无组织结构相一致(Korobova和Svitkina，2010年).

由于功能和结构LTP需要肌动蛋白重组(Kim和Lisman，1999年;Krucker等人，2000年;Lang等人，2004年;松崎等人，2004年;Okamoto等人，2004年)，与肌动蛋白聚合和解聚相关的信号通路已被深入研究。其中，已知包括Ras、Rho、cdc42和Rac在内的小GTPase及其下游分子在肌动蛋白重组、脊椎形态发生和LTP中发挥关键作用。小GTPase活性（包括H-Ras、Cdc42和RhoA活性）的2pFLIM成像显示，在LTP诱导后的约1分钟内，单棘LTP的诱导同样会激活这些小GTPases(Harvey等人，2008年;Murakoshi等人，2011年;Oliveira和Yasuda，2014年). 然而，有趣的是，它们的活化特征非常不同：Cdc42和RhoA的活性持续了约30分钟，而H-Ras的活性没有持续。值得注意的是，Cdc42的活性仅限于受刺激的脊椎，而H-Ras和RhoA的活性并没有被分隔开来，分布在约5-10μm的树枝晶上，并侵入附近的脊椎(图2b). 使用KN62或autocamtide CaMKII抑制剂肽（AIP2）抑制CaMKIL抑制H-Ras、Cdc42和RhoA的激活，表明这些分子位于CaMKIl下游(Harvey等人，2008年;Murakoshi等人，2011年). 此外，分别作为Cdc42和RhoA效应器的p21-活化激酶（PAK）和Rho激酶（ROCK）的药理抑制抑制了结构LTP(Murakoshi等人，2011年). 因此，Ca²⁺-CaMKII–Cdc42通路构成脊髓特异性信号转导，时间跨度从毫秒到半小时以上，导致突触特异性可塑性(图2a).

已知小GTPase的激活会导致肌动蛋白结合蛋白（包括cofilin）的激活(图3). 最近的一项研究表明，用2-光子谷氨酸去钙诱导LTP后，cofilin在受刺激的脊椎快速而持续地积累(Bosch等人，2014年). cofilin-actin和cofilin-cofilin与2pFLIM的相互作用成像显示，受刺激脊髓中这些相互作用持续增加(图2b). 这些结果表明，LTP诱导形成稳定的肌动蛋白-丝氨酸复合物，仅限于增强的脊柱。药理学分析表明，cofilin激活需要多种激酶，包括LIM激酶（LIMK）、PAK和ROCK(图3). 因此，总体而言，cofilin似乎是中小GTPase信号转导和结构LTP的最重要因素之一。有趣的是，cofilin在AMPAR贩运中也起着重要作用(Gu等人，2010年)进一步支持cofilin在LTP和脊柱扩大中的重要作用。除cofilin外，Arp2/3在树突棘中高度富集，并产生新的肌动蛋白丝，这种肌动蛋白丝状结构存在于脊柱头部(Korobova和Svitkina，2010年;Racz和Weinberg，2008年). 被Rac和Cdc42下游分子激活的Arp2/3的缺失完全阻断了结构LTP，而不是LTD(Kim等人，2013年). 因此，cofilin和Arp2/3似乎都在小GTP酶的下游汇聚，通过肌动蛋白重塑调节结构LTP(图3).

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图3

与结构LTP相关的信号通路示意图

信号传播的机制和作用

生物化学信号可以从受刺激的脊椎传播到其母树突轴，这并不奇怪，因为在微米尺度上扩散是非常有效的。对于细胞溶质和膜结合蛋白，从脊椎扩散出来分别只需约0.3和5秒(Bloodgood和Sabatini，2005年;Harvey等人，2008年;Murakoshi等人，2011年). 对于像AMPAR这样的扩散跨膜蛋白，大约需要约30秒(Borgdorff和Choquet，2002年;Patterson等人，2010年). 另一方面，脊髓信号的持续分区需要特定的机制。例如，Cdc42与H-Ras和RhoA一样具有流动性，但只有Cdc42的激活在受刺激的脊椎中受到高度限制。一种可能的机制是在分子扩散之前迅速使其失活(安田和村上春树，2011年).

传播信号可能在许多形式的异突触可塑性中发挥重要作用，例如促进和抑制周围区域的LTP（见上文）。在这方面，有趣的是，脊椎外存在突触可塑性所需的许多亚细胞隔室。例如，含有AMPAR的再循环内体经常出现在树突轴中，并在LTP期间转移到脊椎中(Park等人，2006年). 此外，蛋白质合成机器位于树突轴中(Buxbaum等人，2014年;Ostroff等人，2002年;Steward and Levy，1982年). 这种安排似乎是为信号传播到几个微米而优化的。信号的传播也可能有助于以集群方式诱导可塑性，并产生突触输入的局部积累，进而导致树突片段的功能分区(Branco和Hausser，2010年;Govindarajan等人，2006年;Larkum和Nevian，2008年). 集群可塑性在几个范式中被发现体内例如，通过修剪胡须的感觉剥夺可以诱导SEP-GluA1在位于体感皮层2/3层锥体神经元树突状分支短延伸（~10μm）内的脊髓中积聚(Makino和Malinow，2011年). 同样，急性触须刺激导致体感皮层2/3层锥体神经元树突亚群中棘和相邻树突轴中SEP-GluA1的强度增加(Zhang等人，2015年). 此外，运动皮层第5层锥体神经元中的运动学习依赖性棘发生似乎聚集在树突分支中，并显示出超过1μm的空间相关性(Fu等人，2012年). 此外，在器官型海马薄片培养中，CA3锥体神经元中相邻棘的自发活动经常是同步的(Kleindienst等人，2011年;高桥等人，2012年). 还需要进一步的研究来揭示异突触可塑性和突触串扰是否和集群可塑性及输入同步有关。

信号从单个脊椎传播到细胞核

作为对单脊椎刺激的反应，RhoA、CaN和H-Ras介导的信号传播超过5-10μm(Fujii等人，2013年;Harvey等人，2008年;Murakoshi等人，2011年)离原子核很远(图2b). 生化信号的传播可能会进一步延伸到更远的距离，以激活细胞核中的信号。最近使用2pFLIM和FRET传感器对ERK活性进行了探索(翟等，2013). 由于ERK是H-Ras的下游效应分子，H-Ras扩散可能导致ERK活性的远距离扩散。研究表明，仅在少数（3-7）个脊髓诱导LTP就足以激活细胞核中的ERK(图2b). 此外，免疫染色显示，包括CREB和Elk1在内的下游转录因子也被激活，以ERK依赖的方式对少数棘的刺激作出反应。这些结果表明，少量棘的激活对调节基因转录的核信号的激活具有深远的影响。刺激后5-30分钟，核ERK激活开始，当刺激远端树突时，表现出更大的延迟。这种延迟与细胞溶质蛋白从脊椎向细胞核的扩散一致，表明ERK的扩散可能是这一过程的重要因素。信号可以在令人惊讶的长时间（超过30分钟）和空间（~80μm）内集成。此外，多分支上的空间分散输入比一个分支上的聚集输入更有效地激活核ERK。相对于多个树突，稀疏输入的偏好似乎是由ERK激活饱和引起的，ERK激活是对树枝上少数树突棘的刺激作出反应的。在这种情况下，刺激一个分支中的多个棘不会增加到细胞核的信号。相反，受激分支的数量对于增加细胞核中的信号至关重要。因此，树突状分支似乎起着生化计算单元和超敏整合位点的作用，其中每个分支在控制突触-核信号传递中起着重要作用。

除了通过扩散传播信号外，通过运动蛋白的能量依赖性运输似乎在突触到核的信号传递中起着重要作用。一种被提出的机制是通过分子信使传递信号，这些信使与受刺激的突触分离并传递到细胞核。有趣的是，突触包含各种具有核定位信号（NLS）的蛋白质，这些信号定位在突触和细胞核中(Jordan和Kreutz，2009年). Importinα是一种这样的蛋白质，其功能是作为一个适配器，结合含有NLS的货物，并与Importinβ1形成异源三聚体复合物，以促进该复合物在LTP诱导刺激后运输到细胞核(Goldfarb等人，2004年;Jeffrey等人，2009年;汤普森等人，2004年). 重要的是，包括CREB、NFκB和Jacob在内的几个转录调控因子被证明通过重要依赖途径转位到细胞核中，以响应突触活动(Jordan和Kreutz，2009年;Karpova等人，2013年). 例如，雅各布被发现是一个突触-包含NLS的核信使。在突触而非突触外NMDAR激活后，雅各布被ERK磷酸化，导致雅各布与脊椎分离，导致其以重要的α依赖性方式移位到细胞核。细胞核中磷酸化Jacob的存在增加了CREB磷酸化，诱导了CRE依赖基因的表达(Karpova等人，2013年). 此外，CREB调节的转录辅激活子1（CRTC1）也从突触转移到细胞核，并与CREB结合以上调CRE依赖的转录(Kovacs等人，2007年;Zhou等人，2006年). CRTC1核移位需要钙²⁺-CaN途径和CRTC1在细胞核中的持续积累需要cAMP途径(Ch’ng等人，2012年;Nonaka等人，2014年).

很可能，无论是简单扩散还是主动转运都不足以改变细胞核中的转录。细胞核的体积是单个脊椎的数千倍，因此每个脊椎的影响应该很小。由于只有少数棘可以驱动核信号激活，所以必须有一些机制将信号放大几个数量级。具有多个步骤的信号级联（例如，经典的Ras-Raf-MEK-ERK通路）可能能够显著放大信号。更稳健的机制是通过正反馈进行再生信号放大。例如，一个计算模型预测，由蛋白激酶C（PKC）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和磷脂酶A2（PLA2）组成的正反馈回路延长了小脑浦肯野细胞LTD的持续时间(Kuroda等人，2001年). 后来，研究表明，小脑LTD需要PKC到MAPK和MAPK到PKC的相互激活，并且这种正反馈回路导致PKC激活超过20分钟（Tanaka和Augustine，2008）。这种机制也可以用于放大单个棘的信号，从而影响细胞核中的基因转录。

我们感谢安田实验室成员T.Yasuda S.Soderling和Y.Hayashi的讨论以及批判性阅读，感谢H.Bito和Y.Bayashi图2.