慢波睡眠期间大脑神经重激活对学习依赖的突触可塑性的作用机制研究

Synaptic plasticity is critical for learning and memory. Recent studies show that post-learning sleep is important for memory consolidation and promotes dendritic spine formation on apical tuft dendrites of layer V pyramidal neurons, and furthermore, disruption of neuronal reactivation during slow wave sleep prevents new spine formation. However, the function of slow wave sleep in learning-dependent synaptic plasticity remains largely elusive. To better understand how neuronal reactivation during post-learning sleep promotes dendritic spine formation, we will develop experimental mice with layer V pyramidal neurons double-labeled ( both structural and functional ), and use in vivo structural and functional imaging approaches together with physiological recordings to determine whether a specific set of dendritic branches exhibiting dendritic calcium spikes during motor learning are reactivated during subsequent slow wave sleep and whether new dendritic spines are preferentially formed on these reactivated dendritic branches of individual L5 pyramidal neurons from primary motor cortex. We will also investigate whether new spines are formed close to existing spines active during both motor learning and non-REM sleep and whether new and existing spines are co-active to increase the frequency and amplitude of dendritic calcium spikes after learning. The proposed experiments will probably reveal the fundamental role of slow wave sleep in learning-dependent synaptic plasticity, that is to promote the establishment of new synaptic connections important for learning and memory formation by dendritic or synaptic reactivation. These studies will also provide novel insights into how sleep abnormalities lead to learning deficits in many neurodevelopmental disorders.

突触可塑性是学习与记忆的重要基础。近期研究显示睡眠能促进学习依赖的突触后树突棘的增长并巩固记忆，而阻断慢波睡眠期间神经元的重激活将阻碍树突棘增长。然而，该睡眠阶段的神经元重激活对突触可塑性的作用机制仍然未知。为此，本项目将以在大脑第五层锥体神经元表达结构和钙功能活性双荧光标记的小鼠为实验对象，利用同步电生理记录以及活体双光子结构和钙成像的方法，探索运动学习后的慢波睡眠期间神经元树突和树突棘是否会同胞体一样发生重激活并分析其重激活是否会导致附近更多树突棘的增长，同时检测新旧树突棘是否会通过共激活来增强其所在树突的钙信号。通过以上规律的探索，本项目将揭示慢波睡眠促进学习记忆相关的突触可塑性的可能作用机制，即通过期间神经元树突或树突棘重激活机制诱导树突棘增长进而巩固记忆，这将为进一步研究大脑睡眠对学习记忆的作用奠定基础，同时为治疗因睡眠异常导致的学习记忆障碍等神经发育疾病提供新视角。

本项目所在课题组近年来聚焦于睡眠与学习依赖的突触可塑性机制研究，而睡眠主要由快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠（又称为慢波睡眠）构成。本项目是基于之前对快速眼动睡眠与突触可塑性关系的研究成果，进一步探索慢波睡眠及其期间神经重激活对运动学习依赖的突触可塑性的影响及作用机制。研究方案和内容主要是以大脑特定皮层表达荧光的小鼠为实验对象（转基因的YFP-H系和基于基因转染技术的结构和钙活性双标记的小鼠），利用同步监测不同觉醒状态的脑电记录平台，在不同阶段对大脑运动皮层的神经元进行多时间点的在体双光子结构或钙成像，并通过特定组分的调控探究其作用机制。本项目实施过程中分为几个阶段，首先，关于运动学习依赖的突触可塑性，主要利用新型神经元活性钙粒子指示蛋白GCaMP6S与结构指示蛋白YFP相结合的方式发现了运动学习过程中神经元突触活性增强和突触数目增加等可塑性变化。其次，关于睡眠依赖的突触可塑性，我们通过不同阶段的睡眠剥夺发现，快速眼动睡眠主要导致树突棘形态减小，而非快速眼动睡眠导致突触数目增长率减小。最后，关于睡眠期间的神经重激活，我们利用在体双光子钙成像探究并描述了小鼠在运动学习和之后不同睡眠阶段的神经树突及树突棘的钙活性，并通过药物阻断神经元活性的方式初步探索了运动训练和睡眠期间神经重激活对突触可塑性变化的影响。综上所述，本项目通过分阶段探究的方式描述了小鼠在运动学习过程中神经突触活性和数目等可塑性的变化，并初步探索了快速和非快速眼动睡眠对突触可塑性变化的影响和可能的作用机制，为更好的解构生理状态下睡眠和学习记忆等相关的大脑突触结构和功能奠定了一定的生理机制。