【原】Neuron：海马CA1神经环路调控的奥秘

与模块化组织的新皮质不同，海马中大量的突触连接主要由其自身的神经元提供，最明显的是由广泛的CA3锥体神经元侧支提供。

先前的几项研究集中于理解行为与海马锥体神经元象形波和神经元尖峰活动之间的关系，但是在理解神经环路时，神经元尖峰在多大程度上反映了局部计算或对上游输入信号的响应是一个关键的问题。

所以来自纽约大学的研究团队通过结合光遗传学和药物遗传学手段在局部和上游失活信号来探究海马中的这一问题。

作者通过沉默内侧内嗅皮层（mEC），在很大程度上消除了CA1细胞外的θ和γ电流，而对放电率的影响很小。相反，CA3和局部CA1沉默强烈降低了CA1神经元的放电，而不影响θ电流。每个扰动重新配置了CA1空间图谱。然而，CA1回路维持了与完整小鼠相同的空间位置比例和组装表达。

因此，CA1神经网络可以诱导和维持协调的细胞组装，而对其输入的依赖最小，但这些输入可以有效地重新配置并帮助维持CA1空间图谱的稳定性。

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1.海马短暂性传入功能阻滞

并将此模式锚定到解剖标记位置上

通过基因（AAV5-mDlx-ChR2-mCherry病毒感染所有类型的GABA能中间神经元）和药物操作使mEC瞬时功能阻滞以定量评估各种输入对CA1回路的生理作用。结果显示，病毒标记整个CA1区下轴，并局限于背侧海马。

mEC中抑制性中间神经元的单侧光遗传刺激对DG/CA3神经元产生了很大的影响，但对锥体神经元群的放电率影响很小（图1C），CA1锥体神经元的光遗传学抑制导致CA1锥体细胞和中间神经元的分裂率明显降低（图1D、1E），mEC和CA1区以及mEC和CA3/DG区的联合扰动导致CA1神经元放电率降低（图1E、1G）。

随后将将64位线性硅探针（单柄或双柄）植入小鼠背侧海马，在未染色的组织切片（图2A）中，测量了沿硅探针轨迹的中锥体层和海马裂回之间的距离，并与记录部位相关。振幅最大的尖波纹波（SPW-R）记录点位于CA1锥体层的中部。该位置也与最大幅度的锐波源和最大密度的鉴别峰有关。

图1 海马短暂性传入功能阻滞

2.内嗅皮质的光抑制降低海马θ振荡

为了在操作过程中保持可比的行为状态，当小鼠在迷宫中执行记忆任务时，所有光遗传学和药物遗传学沉默的效果都在中心臂进行了专门测试（图2D-2K）。

结果显示，在整个刺激期间测量的θ电流在A1和齿状回中显著减少（图2D和2F），在CA1锥体层也观察到电流的轻微减少（图2G）。θ抑制的强度随传送到mEC的光功率的强度而变化。

同时进行同侧和对侧刺激的影响在很大程度上是相加的（图2H-2K），同侧（非对侧）mEC抑制也使θ振荡频率降低了约0.5 Hz（图2K）。

图2 mEC沉默导致cA1θ振荡降低

3.抑制CA1、CA3锥体细胞

对LFP（局部场电位）的作用

CA1锥体细胞的电流深度分布未受影响，局部和双侧抑制mEC神经元放电相结合时，与单独抑制mEC大致相。由于mEC沉默会影响CA3区域，而CA3区域影响CA1区域，因此作者接下来研究了CA3输入对感染AAV5-mDlx-ChR2-mCherry的CA3锥体细胞中PSAM4 Glyr表达的小鼠的选择性影响。

结果显示，θ信号在CA1中移动得更深，在PSAM4 GlyR治疗中，θ频率降低约0.5 Hz。PSAM4 GlyR对CA3的联合作用、mEC的光沉默对θ电流幅值和频率的降低作用是递加的，而对照组溶媒注射并未引起生理或行为指标的变化。

4.瞬态功能输入对网络嵌入式触发的独特影响

mEC的光抑制略微提高了CA1锥体细胞（图3A）和中间神经元的相位偏好。在局部抑制CA1电路的过程中，观察到尖峰电流相位偏好的反向小位移（图3A）。在PSAM4-Glyr组中，锥体细胞优先期提前30 ，但许多细胞向θ周期峰值移动了120（图3A）。

在每种类型的操作中，尖峰θ相位调制（“平均矢量长度”）增加（图3B），这意味着尖峰在θ相位空间中的分布减少，中间神经元中也观察到了类似的现象。

位置单元的尖峰比同时记录的LFP θ振荡得更快，这种频差引起的干扰的后果是尖峰的相位进动。双侧mEC和CA3抑制导致显著进动位置场的比例下降了40%-50%（图3C），表明CA1锥体细胞需要这两种输入来实现有效相位进动，而斜率仅受mEC的影响，不受CA3的影响，这表明瞬时阻滞CA1回路功能支持一定程度的相位进动。

结果表明，输入传递在选择共放电神经元群中是有价值的，并且针对局部CA1操作也可以重新配置神经元集合。

图3 尖峰的θ相位偏好明显受输入传递控制

结 论

作者发现海马网络的瞬时功能阻滞对阈下神经元集体活动（LFP）和单个神经元的放电模式产生了不同的影响。mEC是海马θ振荡的主要电流源，输入（双侧CA3和双侧mEC）和局部（CA1）扰动导致CA1种群的重新映射。这些发现表明，CA1网络产生更多的自组织动力学和表达程序集的能力基本保持不变。

作者的研究主要的发现是：

1、mEC的单侧或双侧沉默会降低γ电流；

2、双侧而非单侧mEC沉默导致CA1细胞装配的再匹配；

3、CA3沉默会降低CA1的放电率，并导致细胞重新映射；

4、尽管mEC和CA3沉默，CA1定位细胞和装配体持续存在。

这些发现为了解CA1神经环路的外在控制和内在计算模式提供了新的见解，为更好的解海马CA1、CA3、mEC区域之间的电位特性提供了新的证据。

参考文献

Zutshi et al., Extrinsic control and intrinsic computation in the hippocampal CA1 circuit, Neuron (2021), https:///10.1016/j.neuron.2021.11.015

编译作者：原代美少女（brainnews创作团队）