哈佛团队揭示神经调控新机制：树突“脉冲加速器”驱动信号反向传播

哈佛团队揭示神经调控新机制：树突“脉冲加速器”驱动信号反向传播

神经元作为大脑的基本功能单元，其信号传递机制一直是神经科学研究的重点。近年来，科学家们发现神经元树突不仅仅是被动的信号传导结构，还具有产生电兴奋的能力。然而，这些电兴奋在计算层面上的重要性仍不完全清楚。近日，美国哈佛大学研究团队在Nature Communications杂志发表最新研究成果，揭示了树突中一种新的信号反向传播机制，为理解神经元信息处理提供了新的视角。

研究背景

动物行为学实验是神经科学研究领域的重要组成部分，主要侧重于科学客观地评价各种条件下的动物行为。动物行为学实验种类繁多，研究不同的疾病模型时，研究人员需根据关注的具体行为选择合适的研究手段。《动物行为实验手册》为学习记忆类、抗焦虑抑郁类、抗疲劳类、神经精神类、痛觉测试类、嗅觉测试类、社会行为类及特定行为评估类等，其中许多实验需要借助特制的仪器、记录及分析系统。

神经元上的树突能产生电兴奋，但目前对于这些电兴奋在计算层面上的重要性理解还不够深入。

基于此，2025年2月4日美国哈佛大学化学与化学生物学系Adam E. Cohen研究团队在Nature communications杂志发表了“Dendritic excitations govern backpropagation via a spike-rate accelerometer”揭示了树突兴奋通过一种脉冲频率加速度计来调控反向传播。

远端树突中存在反向传播动作电位（bAPs），由局部生成的Na+尖峰（dSpikes）驱动。树突去极化通过A型钾通道失活动作打开一个短暂的时间窗口，允许dSpike传播，并由缓慢的NaV失活动作关闭。dSpikes与突触输入的碰撞会触发钙通道和NMDAR依赖的树突平台电位，同时在胞体上产生复杂动作电位。这种网络作为spike率加速计，直观地展示了树突生物物理学如何影响联想可塑性规则。简而言之，研究揭示了树突中复杂的电活动及其对神经元信号处理和可塑性的潜在影响。

图一 利用全光电生理学技术绘制树突电压图谱

研究方法

研究团队开发了一种名为Optopatch-V的全光树突电生理学工具，结合靶向光遗传学刺激与高速结构光照明电压成像技术，以高时空分辨率记录小鼠海马CA1锥体神经元树突的电压变化。该工具通过光遗传学刺激和高速结构化照明电压成像技术，成功探测了小鼠海马CA1锥体神经元树突的兴奋性。实验结果表明，该工具能够以高时空分辨率记录电压变化，且不干扰神经元的基本特性。

研究发现

研究团队通过光遗传学方法刺激小鼠海马CA1锥体神经元的近端斜向树突，观察到两种不同的生物电反应模式：在大多数情况下，刺激仅在胞体诱发两个动作电位；但在某些情况下，树突会产生单个快速动作电位，称为dSpikes。进一步分析发现，dSpikes总是源自第二个胞体动作电位，而非第一个。这种现象表明，树突兴奋性受到特定模式的胞体放电调控。

实验结果

研究团队进一步探究了谷氨酸能输入对树突电生理学的影响。通过电场刺激（EFS）和光遗传学刺激相结合，可以诱导树突产生持续的平台电位以及胞体产生复杂的动作电位。实验结果显示，EFS和光遗传学刺激的组合能够诱导树突中的长持续时间（约120毫秒）平台电位及胞体上的复杂动作电位。这种组合刺激的效果远强于单独使用任何一种刺激，且光学和电刺激的时间重叠显著增强了非线性放大效应。研究还发现，NaV通道介导的dSpikes是平台电位形成的必要条件，强调了树突spike率加速器的重要性。

图二 树突动作电位的时空图谱

图三 平台电位由突触输入与dSpikes的碰撞引发

结论与展望

这项研究揭示了神经元树突中一种新的信号反向传播机制，即树突兴奋通过特定模式的胞体放电调控动作电位反向传播到树突的过程。这种调控依赖于一个复杂的、基于尖峰速率变化率的机制。研究结果强调了树突在神经元信息处理中的重要作用，为理解神经元的可塑性和信息处理提供了新的视角。未来的研究可以进一步探索这种机制在学习和记忆等高级认知功能中的作用。

文章来源
https:///10.1038/s41467-025-55819-9