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.2021年3月30日10:e63026。
doi:10.7554/eLife.63026。

全反式维甲酸诱导人皮层神经元突触可塑性

马克西米利安·伦茨 1, 皮亚·克鲁斯 1, 艾米莉·艾希勒 1, 雅各布·斯特莱尔 2, 尤根·贝克 2 三, 托马斯·德勒 4, 安德烈亚斯·弗拉科斯 1 三 5
附属公司

全反式维甲酸诱导人皮层神经元突触可塑性

马克西米利安·伦茨等。 埃利夫. .

摘要

大脑的一个决定性特征是其突触接触以经验依赖的方式适应结构和功能的能力。然而，在人类皮层中，目前缺乏协调结构和功能突触适应的直接实验证据。在这里，我们使用维生素A衍生物全反式维甲酸（atRA）来研究人类皮层切片中的突触可塑性，atRA是一种治疗阿尔茨海默病等神经精神疾病的假定疗法。我们的实验表明，在atRA存在下，浅层（2/3层）锥体神经元的兴奋性突触发生了协调的结构和功能变化。这些突触适应伴随着贮钙脊椎器细胞器的超微结构重塑，需要mRNA翻译。在缺乏脊椎器细胞器的突触素缺乏小鼠中未观察到这种现象。我们得出结论，atRA是成人大脑皮层突触可塑性的一种有效介体。

关键词：人；人类皮层；小鼠；神经科学；维甲酸；突触可塑性；突触素；维生素A。

简明扼要的语言总结

大脑具有巨大的适应环境的能力。这种持续学习和形成新记忆的能力由于其可塑性而被称为大脑可塑性。大脑可塑性背后最重要的机制之一是突触的结构和功能的改变，突触是神经元之间进行交流的接触点。这些突触接触部位通过神经元分支上的微小突起出现，称为树突棘。树突棘是非常动态的，根据刺激改变其形状和大小。以前的研究表明，在各种脑疾病的动物模型中都会发生突触可塑性的改变。然而，目前尚不清楚人类皮层神经元是否与啮齿动物大脑中的神经元表现出类似的突触可塑性。最近，一种维生素a衍生物与突触可塑性有关。此外，一些研究评估了这种衍生物对认知功能障碍患者的影响，包括阿尔茨海默病、脆性X综合征和抑郁症。然而，成人大脑皮层中与维生素A信号传递和代谢有关的突触可塑性没有直接的实验证据。为了研究这一点，Lenz等人使用神经外科手术切除的人类皮层切片，并用维生素a衍生物全反式维甲酸溶液对其进行6-10小时的治疗。Lenz等人使用了多种技术，包括斑贴灯记录来测量神经元功能，以及使用不同类型的显微镜来评估树突棘的结构变化。这些实验表明，该衍生物促进了成人大脑皮层的突触可塑性。具体来说，它增加了树突棘的大小，增强了它们传递信号的能力。此外，Lenz等人发现，脊椎器细胞器（在一些树突棘中发现的结构）是维生素a衍生物的靶点，并促进了突触可塑性。这些发现促进了对维生素A衍生物影响突触可塑性的途径的理解，这可能有助于开发新的脑疾病治疗策略。更广泛地说，这些结果有助于确定成人大脑中突触可塑性的关键机制。

PubMed免责声明

利益冲突声明

ML、PK、AE、JS、JB、AV没有宣布竞争利益，TD TD收到了诺华公司关于人脑解剖的讲座资金。

数字

图1。
图1.全反式维甲酸（atRA）诱导人类皮层切片中兴奋性突触的可塑性。
(A类)为NeuN染色的代表性人类皮层切片。比例尺=200µm。(B类)记录并事后标记浅层（2/3层）锥体神经元。比例尺=100µm。(C类)来自atRA-（1µM，6-10小时）和仅车辆处理切片的皮层神经元输入/输出曲线的样本迹线（图示为对−100 pA和+350 pA电流注入的响应）。来自atRA和仅车辆处理切片的人类新皮质神经元的动作电位频率（n控制=38个单元格，n在RA=每六个样品中有33个细胞；RM双向方差分析，然后是Sidak的多重比较）。(D、 E类)被动膜特性，即静息膜电位(D类)和输入电阻(E类)来自atRA和仅由车辆处理的神经元（n控制=43个单元格，n在RA=每六个样品中有33个细胞；Mann–Whitney试验）。(F、 克)AMPA受体介导的自发兴奋性突触后电流（sEPSCs；n控制=44个单元格，n在RA=每六个样品中有33个细胞；Mann-Whitney检验，sEPSC振幅分析的U=454，sEPSC-频率的p=0.12）。单个数据点用灰色圆点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异，**p<0.01）。
图1——图补充1。
图1补充图1。全反式维甲酸（atRA）诱导人类浅层（2/3层）锥体神经元兴奋性突触增强-样本内对照分析。
(A类)本研究共收集了八份人类新皮质样本，其中六份样本的皮质切片包含在该数据集中。在每个样本中，急性皮质切片被随机分配到atRA或仅车辆治疗组。在每个样本中，可以观察到sEPSC振幅的增加（n控制=44个单元格，n在RA=每六个样品中有33个细胞；样本1:n控制=10个单元格，n在RA=5个细胞（一个细胞被排除在进一步分析之外，分别具有38.4 pA/6.5 Hz sEPSC振幅/频率）；样本2:n控制=4个单元格，natRA公司=3个单元格；样本3:n控制=10个单元格，n在RA=8个单元；样本4:n控制=9个单元格，n在RA=8个细胞；样本6:n控制=6个单元格，n在RA=4个单元格；样本7:n控制=5个细胞，n在RA=5个单元格）。(B类)对atRA处理的切片和其各自的样本内仅用车辆处理的切片的平均sEPSC振幅进行配对统计分析，结果表明，atRA处理后sEPSC幅度显著增加（n=6个样本；Wilcoxon配对配对签名秩检验）。(C、 D类)用配对统计方法对sEPSC频率进行分析，未发现atRA治疗后sEPSC的频率显著增加。各个数据点分别用灰色或蓝色圆点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异，*p<0.05）。
图2。
图2全反式维甲酸（atRA）诱导人类皮质切片中的树突状棘可塑性。
(A类)atRA-（1µM，6-10小时）和仅经车辆处理的切片中经hoc标记后的浅层（2/3层）锥体神经元的树突状片段的示例。比例尺=3µm。(B、 C类)脊柱密度分组数据（n控制=14个树枝状片段，n在RA=分别取自三个样品的21个树枝状片段；Mann–Whitney试验）和脊柱头部尺寸（n控制=来自14个树突段的115个树突棘，n在RA=267来自21个树枝状片段，每个样本三个；Mann–Whitney检验，U=8653）。(D类)突触素（Synpo）染色树突状片段的代表性图像。比例尺（上面板）=5µm，比例尺[下面板]=1µm。(E–G公司)突触足蛋白簇大小与棘头大小的相关性(E类，个控制=84个树突棘，n在RA=208个树突棘；矛兵r控制=0.73***，atRA=0.69***；atRA治疗组中轴界限外的三个数据点），突触阳性和阴性脊柱中脊柱头部大小的组数据(F类，突触素阳性棘：n控制=84，n在RA=208；突触素阴性棘：n控制=31，n在RA = 59; Kruskal–Wallis检验和Dunn多重比较；在经atRA处理的突触足蛋白阳性棘组中，轴界限外的一个数据点），以及仅经atRA和载体处理的切片中突触足蛋白簇的大小(G公司，个控制=84，n在RA = 208; Mann-Whitney检验，U=3992；atRA处理组中超出轴限制的三个数据点）。(小时)突触素免疫金标脊柱装置（SA）的电子显微照片。比例尺=250 nm。(一、 J型)atRA和仅车辆处理切片（n）中SA（白色箭头）横截面积的示例和分组数据控制=103，牛顿在RA=三个样品中的114；将数值归一化为仅使用车辆治疗组的平均横截面积；Mann–Whitney检验，U=3489）。比例尺=500 nm。单个数据点用灰色圆点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异，*p<0.05，***p<0.001）。
图2——图补充1。
图2补充1。兴奋性突触的超微结构分析揭示了脊椎头部大小和脊椎器细胞器之间的正相关。
为仅车辆和atRA处理的人类新皮质切片创建了配对脊柱头部和脊柱器械细胞器大小（横截面积）的XY图。在atRA治疗（n控制=103，牛顿atRA公司= 114; 线性回归拟合，Spearman r控制=0.55**和r在RA= 0.58**; atRA组中超出轴限制的两个数据点）。单个数据点分别用灰色或蓝色圆点表示（**p<0.01）。
图3。
图3：全反式维甲酸（atRA）对突触素缺乏小鼠皮质切片的影响。
(A、 B类)组数据(A类)AMPA受体介导的自发兴奋性突触后电流（sEPSCs）在野生动物背内侧前额叶皮层浅层（2/3层）锥体神经元切片中的记录(Synpo公司+/+)和累积分布(B类)sEPSC振幅（n控制=58个细胞，n在RA=七个独立实验中的44个细胞；U列统计的Mann–Whitney检验sEPSC振幅= 684; RM双向方差分析，然后进行Sidak多重比较，以统计评估累积sEPSC振幅分布）。(C、 D类)组数据(C类)突触素缺乏小鼠背内侧前额叶皮层浅层（2/3层）锥体神经元记录的AMPA受体介导的sEPSCs(Synpo公司−/−)和累积分布(D类)sEPSC振幅（n控制=51个单元格，n在RA=七个独立实验中的49个细胞；列统计的Mann–Whitney检验和RM双向方差分析，以及Sidak的多重比较，用于累积sEPSC振幅分布的统计评估）。(E、 F类)组数据(E类)sEPSC记录和累积分布(F类)突触素缺乏遗传背景下Thy1.2启动子控制下表达GFP标记突触素的转基因小鼠制备的皮层切片中sEPSC振幅（Thy1-GFP/Synpo+/−x合成–/–; n个控制=22个单元格，n在RA=三个独立实验中的23个细胞；U列统计的Mann–Whitney检验sEPSC振幅= 125; RM双向方差分析，然后进行Sidak多重比较，以统计评估累积sEPSC振幅分布）。单个数据点用灰色圆点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异，***p<0.001，**p<0.01）。
图3-图补充1。
图3补充了1。atRA治疗后野生型和突触素缺乏切片中浅层锥体神经元的固有细胞特性分析。
(A类)野生型浅层锥体神经元的输入-输出曲线以及输入电阻和静息膜电位的组数据(Synpo公司+/+)和突触足蛋白缺乏切片(Synpo公司–/–). 虽然两组动物的静息膜电位均未受到影响，但在atRA治疗后，野生型的输入阻抗显著降低，而非突触素缺乏的制剂。值得注意的是，野生型和突触素缺乏的浅层锥体神经元之间的被动膜性质没有显著差异(Synpo公司+/+：n控制=57个单元格，n在RA在七个独立实验中=44个细胞；Synpo公司–/–：n控制=51个单元格，n在RA=七个独立实验中的49个细胞；Thy1-GFP/Synpo:n公司控制=21个单元格，n在RA=三个独立实验中的23个细胞（Kruskal–Wallis测试，然后进行Dunn的多重比较）。(B类)XY-两组动物中相同细胞的动作电位频率。无论是否存在突触素，atRA都不会引起AP频率的变化（RM双向方差分析，随后是Sidak的多重比较），而与野生型神经元相比，突触素缺乏神经元在增加电流注入后似乎表现出更高的放电率。各个数据点用彩色圆点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异，*p<0.05）。
图3——图补充2。
图3补充图2。内侧前额叶皮层野生型、突触素缺乏型和转基因GFP/Synpo浅表锥体神经元基线自发兴奋性突触传递的比较。
我们发现，与野生型制剂相比，在基线条件下，突触素缺乏制剂的sEPSC振幅和频率显著更高。值得注意的是，sEPSC振幅没有差异，但在转基因GFP/Synpo表达制剂中频率明显不同(Synpo公司+/+：n=58个单元格，Synpo公司–/–：n=七个独立实验中的51个细胞；Thy1-GFP/Synpo:n=22个细胞，在三个独立实验中；Kruskal–Wallis之后是Dunn的多重比较）。单个数据点由单个点表示。数值代表平均值±标准误差（**p<0.01，***p<0.001；ns，无显著差异）。
图4。
图4全反式维甲酸（atRA）诱导的兴奋性突触增强依赖于mRNA翻译，而非基因转录。
(A、 B类)组数据(A类)AMPA受体介导的自发兴奋性突触后电流（sEPSCs）在放线菌素D（5µg/ml）或车载（车载：n控制=27个单元格，n在RA在四个独立实验中=21个细胞；放线菌素D:n控制=39个单元格，n在RA=六个独立实验中的37个细胞；Kruskal–Wallis检验和Dunn的多重比较）。累计分布(B类)放线菌素D共孵育切片中sEPSC的振幅证实atRA诱导的自发兴奋性神经传递增强(B类; RM双向方差分析，然后是Sidak的多重比较）。(C、 D类)组数据(C类)AMPA受体介导的sEPSCs，从野生型小鼠背内侧前额叶皮层浅层（2/3层）锥体神经元的切片中记录，这些切片是在茴香霉素（10µM）或仅车辆（仅车辆：n控制=27个单元格，n在RA=四个独立实验中的22个细胞；茴香霉素：n控制=38个单元格，n在RA=六个独立实验中的40个细胞；Kruskal–Wallis检验和Dunn的多重比较）。累计分布(D类)茴香霉素共孵育切片中sEPSC振幅的变化证实茴香霉素可阻断RA-介导的兴奋性突触可塑性（RM双向方差分析，随后进行Sidak的多重比较）。单个数据点用灰色圆点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异，*p<0.05，**p<0.01）。
图4——图补充1。
图4补充了1。在atRA治疗和同时抑制基因转录或mRNA翻译的药理作用下，浅层锥体神经元的固有细胞特性。
(A–C)在atRA治疗期间，使用放线菌素D（5µg/ml）以药理方式抑制基因转录。当与放线菌素D共同孵育时，atRA既没有改变静息膜电位，也没有改变输入输出特性，即mPFC中小鼠浅锥体神经元的输入电阻(A、 B类). 此外，放线菌素D孵育导致了与仅用载体处理的切片相当的被动膜性质，排除了放线菌素D在我们的实验环境中的主要毒性作用。(C类)通过增加电流注射评估动作电位频率，我们发现放线菌素D处理组在atRA共同培养时没有差异。值得注意的是，在高电流注射（n控制=四个独立实验中的27个细胞；n个放线菌素D=39，n放线菌素D+atRA=七个独立实验中的37个细胞；放线菌素组一个细胞被排除在动作电位频率分析之外；Kruskal–Wallis检验后进行Dunn多重比较；AP频率中的XY-plot使用RM双向方差分析进行统计评估，然后进行Tukey的多重比较）。(D–F型)在另一组实验中，在atRA治疗期间使用茴香霉素（10µM）阻断mRNA翻译。我们排除了茴香霉素的主要毒性作用，因为被动膜特性，即与仅用车辆处理的切片相比，静息膜电位和输入电阻没有改变(D、 E类). 然而，茴香霉素治疗显著降低了细胞的兴奋性，尽管随着电流的增加，兴奋性明显增加(F类). 当atRA与樟柳霉素共同孵育时，atRA介导的被动或主动膜性质的变化变得明显（n控制=四个独立实验中的27个细胞；n个茴香霉素=38，n茴香霉素+atRA=七个独立实验中的40个细胞；Kruskal–Wallis检验和Dunn多重比较；AP频率中的XY-plot使用RM双向方差分析进行统计评估，然后进行Tukey的多重比较）。单个数据点由单个点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异；*p<0.05，**p<0.01）。
图5。
图5：mRNA翻译的药理学抑制可防止全反式维甲酸（atRA）在人类皮质切片中诱导的突触可塑性。
(A、 B类)组数据(A类)AMPA受体介导的自发兴奋性突触后电流（sEPSCs）及其累积分布(B类)用atRA（1µM，6-10小时）或仅在茴香霉素（10µM；n控制=20个单元格，n在RA=三个独立实验中的16个细胞；列统计的Mann-Whitney检验；RM双向方差分析，然后进行Sidak的多重比较，以统计评估累积sEPSC振幅分布）。(C、 D类)脊椎头部尺寸(C类)和突触素簇大小(D类)仅在存在樟柳霉素的情况下用atRA或载体处理的人类皮层切片中（参见，图2F，G；突触足蛋白阳性棘：n控制=175，n在RA = 88; 突触素阴性棘：n控制=69，n在RA=88，在三个独立实验中，每个样本1–11个片段；Kruskal–Wallis检验，然后是Dunn的脊柱头部大小多重比较和Mann–Whitney的突触蛋白簇大小测试）。各个数据点由灰点表示。数值代表平均值±标准误差（ns，无显著差异，***p<0.001）。
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中的注释

  • 从老鼠到人。
    马萨诸塞州萨顿市奥尔特豪斯JC。 Althaus JC等人。 埃利夫。2021年4月1日；10:e67895。doi:10.7554/寿命67895。 埃利夫。2021 采购管理信息：33792538 免费PMC文章。

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