Nat Commun丨物体记忆的“管理员”—非典型海马兴奋性神经元

传统上讲，海马的锥体神经元被视为能灵活表征空间和非空间信息。最近的研究揭示了海马体中不同类型的兴奋性神经元，这表明海马的表征和功能可能受到这些潜在细胞类型特性的限制。

基于此，2025年2月12日加拿大哥伦比亚大学Mark S. Cembrowski研究团队在Nature communications杂志发表了“Atypical hippocampal excitatory neurons express and govern object memory”揭示了非典型海马兴奋性神经元表达并调控物体记忆。

在小鼠实验中，作者发现了一种非锥体兴奋性神经元类型——“卵圆形”神经元，它在空间位置上与下托锥体神经元相邻，但在基因表达、电生理特性、形态和连接性方面存在差异。从功能上看，遇到新物体时会激发卵圆形神经元持续活动，而即便是在单次学习数月后，熟悉的物体也无法激发其活动。抑制卵圆形神经元会阻碍非空间物体学习，但空间学习能力不受影响；激活卵圆形神经元则会使对新物体的探寻转变为对熟悉物体的探寻。这种功能与锥体神经元完全不同，操控锥体神经元会影响空间测试结果，但对非空间学习并无影响。因此，下托的卵圆形神经元展现了对非空间记忆和行为偏好的细胞类型特异性选择控制。

图一 下托中一种非锥体兴奋性神经元类型的鉴定

由于下托包含大量通过转录组学定义的兴奋性神经元亚型，作者采用了数据驱动的方法来识别任何特别突出的下托亚型。单细胞转录组的分析表明相对于其他下托神经元，存在一种稀疏且明显偏离的亚型。这类偏离的细胞表达神经元标记物Snap25、兴奋性神经元标记物Slc17a7、Slc17a6和Camk2a，且不表达抑制性神经元标记物Gad1。单个基因的表达就足以将这种偏离的亚型与其他下托神经元区分开来，并且在这种偏离的亚型中有大量基因存在差异表达。发现这种偏离的亚型与多种神经元相关功能有关，这表明其具有高度的功能特化。Cck在锥体神经元层广泛表达，而Ly6g6e的表达与下托的最深部分相关。用于同时检测所有这些基因表达的荧光原位杂交证实，表达Ly6g6e的细胞也表达兴奋性神经元标记物Slc17a7，并且Ly6g6e的表达与抑制性神经元标记物Gad1的表达相互排斥。此外，Ly6g6e和Cck的表达定义了下托内具有相邻且基本不重叠空间区域的不同细胞类型，表达Ly6g6e的神经元位于下托的最深部分。结果显示表达Ly6g6e的神经元似乎更小且呈切向排列。为了分析胞体的几何形状并将这种几何形状与基因表达联系起来，首先使用DAPI和尼氏染色来识别细胞核和相关的胞体，并通过追踪单个细胞体手动分割胞体。分析表明，表达Ly6g6e的胞体总体面积显著减小，同时还有其他几何差异。为了突出这些非典型椭圆形深层细胞与经典锥体神经元之间的差异，将表达Ly6g6e的细胞称为非锥体“卵圆形神经元”。

图二 卵圆形神经元具有特定的长程轴突靶向特征

作者构建了转基因Ly6g6e-IRES-Cre小鼠品系选择性地研究卵圆形神经元，。利用依赖Cre的病毒示踪技术，并与研究相对充分的投射到伏隔核的锥体神经元进行对比，证实表达Cre的神经元位于下托的最深层，并且在Ly6g6e - IRES - Cre小鼠中，Cre的表达与Ly6g6e的表达共定位。追踪卵圆形神经元的长程投射，作者发现这类细胞似乎仅投射到丘脑前核（ATN），通过逆行追踪结合多重荧光原位杂交验证表明，在野生型大脑中表达Ly6g6e的下托深层神经元形成了到ATN的投射。接下来分析了单个神经元的全脑轴突投射，能够识别出投射到ATN的下托神经元以及投射到其他部位的神经元。为了系统地分析所有投射，对于每个下托投射神经元，将大脑划分为不同的离散区域，然后计算每个区域内轴突的长度。对这种分区数据进行降维和聚类分析，结果显示有一小群投射神经元与其余下托神经元区分开来。对与这一小群细胞相关的分析表明，这些神经元选择性地靶向ATN，这与卵圆形神经元和锥体神经元具有不同的投射靶点相一致。作者的整体标记结果表明，表达Ly6g6e的卵圆形神经元向ATN发出单一投射，这种关系在多个互补数据集中都表明了卵圆形神经元对ATN的特异性投射。

图三 卵圆形神经元对新物体的选择性反应

为评估卵圆形神经元与锥体神经元在体内活动的特异性，对Ly6g6e - IRES - cre小鼠注射Cre依赖的GCaMP6f）检测卵圆形神经元活动，同时用非细胞类型特异性方式检测下托广泛活动（主要反映锥体神经元活动）。结果显示卵圆形神经元相对于锥体神经元，具有缓慢、自发且同步的活动。采用物体识别范式训练和测试动物，在编码和检索过程中成像并分析细胞活动。结果发现，卵圆形神经元对新物体有持续群体活动，对熟悉物体则无；而锥体神经元对新、旧物体均无此持续活动。通过量化细胞反应，多数卵圆形神经元对新物体有反应，对熟悉物体反应少，且这种记忆表达可持续数月。多种分析方法及不同病毒和转基因靶向策略均证实卵圆形神经元对新物体反应的选择性。此外，卵圆形神经元对熟悉物体的新空间位置、空间环境变化无反应，对速度和移动性也无强调节，表明其活动对非空间形式的新奇性具有选择性。

图四 对锥体神经元的光遗传学抑制会损害空间学习能力，而对卵圆形神经元的抑制则不会影响空间学习能力

这种在记忆提取过程中的熟悉度偏好不能用对新奇事物的厌恶来解释，因为在编码阶段光刺激并不会引发对新奇事物的厌恶，也不能用对物体的总体探索程度差异来解释。与物体识别任务不同，在空间定位任务中激活卵圆形神经元不会产生熟悉度偏好，这表明对熟悉事物的偏好是特定于非空间任务的。刺激对锥体神经元的新奇偏好没有影响，这体现出一种卵圆形神经元特有的效应。综合来看，这些结果表明，当出现之前接触过的物体时，卵圆形神经元的激活足以驱使对近期和远期接触过的物体产生熟悉度偏好，而且这种行为与锥体神经元无关。这种表型突显了卵圆形神经元在物体识别中所起的特殊作用，并且由于在光照开启和关闭期间行为表型相似，这表明对卵圆形神经元的操控可能会控制缓慢的大脑状态。

总结

作者在下托中识别出一种在转录组上表现突出且空间定位明确的兴奋性神经元亚型，并揭示了该神经元亚型的高阶特性和表征。在此过程中，首先确定该亚型为非锥体 “卵圆形” 神经元，卵圆形神经元具有经验调谐性，即它们对新物体有反应，但对熟悉的物体无反应，它们对记忆的作用与锥体神经元截然不同。值得注意的是，这种反应性对非空间特征具有选择性，因为卵圆形细胞对处于新位置的熟悉物体或新的环境变化均未表现出显著反应。此外，在光遗传学抑制和激活实验中，仅锥体神经元在空间新奇性测试中表现出反应改变。这些发现揭示了卵圆形神经元与锥体神经元之间的根本功能差异。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56260-8

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