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重新学习环境已安全,海马胶质细胞也参与其中

Science advances · 2025-04-04

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Science Advances · 研究前沿

重新学习环境已安全,海马胶质细胞也参与其中

雌雄小鼠研究连接基底前脑乙酰胆碱与海马星形胶质细胞:作用集中在恐惧消退训练,随后回忆时的单独激活未见同样效果。

AI 概念插画:胆碱能信号与星形胶质细胞响应

一个环境曾经伴随危险,后来不再发生坏事,动物如何调整旧有反应?恐惧消退正是这种重新适应的学习过程。2025 年 4 月 4 日发表于《Science Advances》的研究发现,海马背侧 CA1 星形胶质细胞在小鼠重返相关环境、进行消退训练时出现增强的钙活动。来自后部基底前脑的乙酰胆碱信号比这股胶质细胞响应先出现,二者共同参与训练期间的变化,让恐惧记忆研究从神经元延伸到神经元与胶质细胞之间的交流。

关键发现

CA1 星形胶质细胞的钙响应支持恐惧消退学习;含 α4 或 α7 亚基的烟碱型乙酰胆碱受体参与接收上游信号。

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经历过危险,重返相关环境才出现响应

小鼠先形成环境相关的恐惧反应,再重返同一环境,经历没有新的伤害刺激的消退训练。背侧 CA1 的星形胶质细胞活动标记增加,钙响应也在训练过程中逐渐增强,与冻结行为减少相伴。

这种响应依赖经历和环境:刚形成恐惧反应后并未立即出现同样变化,换到无关环境时也减弱;没有恐惧经历的小鼠、物体识别或蔗糖相关场景中,未见同样增强。星形胶质细胞参与的是具有具体背景的学习过程。

原论文图 1消退训练中的胶质细胞活动
消退训练中的胶质细胞活动
原论文 Figure 1:消退训练伴随 CA1 星形胶质细胞活动标记和钙信号增加,训练中的钙响应与冻结水平呈负相关。
来源:Li Y et al. · Science advances · CC BY-NC
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训练时增强有效,回忆时增强未见同样效果

降低这些细胞的钙响应,消退训练中的冻结下降变慢,次日仍保持较高冻结。相反,在训练阶段增强星形胶质细胞活动,会加快冻结下降,之后的测试中也可观察到较低冻结,部分效果延续到第十天。

如果等到次日回忆消退记忆时才增强活动,冻结水平没有明显改变。相同细胞的作用取决于时间:在重新学习阶段调节,与后来表达已有记忆时调节,是不同的事情。旷场运动及相关探索基本不变,也让这种效应更聚焦于消退学习。

原论文图 3训练与回忆阶段的不同作用
训练与回忆阶段的不同作用
原论文 Figure 3:两种星形胶质细胞激活方式在消退训练时降低之后的冻结;只在消退回忆时激活,冻结未见明显变化。
来源:Li Y et al. · Science advances · CC BY-NC
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乙酰胆碱先升高,胶质细胞随后响应

研究继续寻找上游信号。消退训练期间,CA1 的细胞外乙酰胆碱信号增加,受测的 ATP 和血清素信号没有明显变化。乙酰胆碱同样依赖相关恐惧经历与环境,在无关场景中没有出现同样增强。

同时记录两种信号时,乙酰胆碱的上升比星形胶质细胞钙响应早约两秒,二者正相关。这个先后关系把细胞外的调节分子与胶质细胞内部变化连接起来,并引出下一步问题:乙酰胆碱来自哪里,细胞又怎样接收它?

原论文图 4乙酰胆碱与胶质细胞钙响应的时序
乙酰胆碱与胶质细胞钙响应的时序
原论文 Figure 4:消退训练中的细胞外乙酰胆碱增强,同时记录显示它先于并关联星形胶质细胞钙响应。
来源:Li Y et al. · Science advances · CC BY-NC
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后部基底前脑输入抵达 CA1

这次从背侧 CA1 出发的追踪,在后部基底前脑标记到较多胆碱能细胞,其轴突可抵达海马,并靠近星形胶质细胞。激活这些胆碱能末梢能够引起胶质细胞钙响应,经历消退训练后,诱发的响应更强。

阻断烟碱型受体相关作用会削弱这一响应,阻断毒蕈碱型受体则没有同样影响;含 α4 或 α7 亚基的受体参与其中。训练后,星形胶质细胞中的两种亚基转录信号也增加,显示接收信号的细胞自身同样会改变。

原论文图 5胆碱能输入与受体相关响应
胆碱能输入与受体相关响应
原论文 Figure 5:后部基底前脑输入诱发 CA1 星形胶质细胞钙响应,受体阻断及亚基转录检测支持烟碱型受体参与。
来源:Li Y et al. · Science advances · CC BY-NC
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胶质细胞中的受体,参与上游输入的作用

增强胆碱能输入可促进消退训练,但把 CA1 星形胶质细胞的钙响应压低后,这种促进作用受到阻断。进一步降低胶质细胞中的 α4 或 α7 亚基表达,也削弱末梢激活引起的钙响应,以及随后对消退行为的促进。

这一步把分子检测推进到功能联系:接收信号的胶质细胞和其中的受体,是上游输入发挥作用的重要环节。神经元发出的调节信号,经过胶质细胞响应,参与动物在环境中重新学习。

上游信号减少,增强胶质活动可补偿

减少后部基底前脑胆碱能细胞后,CA1 胶质细胞在训练中的钙响应减弱,冻结下降也更慢。直接增强 CA1 星形胶质细胞活动,则能补偿这些小鼠的消退缺陷,让训练及次日测试中的冻结朝恢复方向改变。

上游信号减少后,胶质细胞响应和学习表现一起改变;直接增强胶质细胞活动,则能改善这一行为表现。神经元与胶质细胞在重新适应环境时相互联系,星形胶质细胞进一步怎样调节海马网络,也成为研究延伸出的新问题。

原论文图 6胆碱能细胞减少与胶质活动补偿
胆碱能细胞减少与胶质活动补偿
原论文 Figure 6:后部基底前脑胆碱能细胞减少使胶质钙响应与消退受损;激活 CA1 星形胶质细胞可补偿相关行为缺陷。
来源:Li Y et al. · Science advances · CC BY-NC
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加强胆碱能信号,也能影响消退训练

乙酰胆碱酯酶抑制剂多奈哌齐也被用于这项小鼠检验。局部处理增加胶质细胞钙响应,并促进训练及次日表现;全身处理的较低受测条件促进当天训练,次日冻结差异不明显,较高条件则同时影响两个阶段。作用会随受测条件改变。

这项雌雄小鼠研究把上游神经调节与胶质细胞的学习作用相连,也显示时机的重要性。药物能够影响多类细胞,其具体作用路径还需进一步区分;眼下最清楚的发现,是恐惧消退的重新适应过程包含了胶质细胞的主动贡献。

原论文图 7多奈哌齐检验与工作模型
多奈哌齐检验与工作模型
原论文 Figure 7:多奈哌齐增加局部胶质钙信号,并在不同受测条件下影响消退训练及之后的冻结;F 总结作者提出的神经元—胶质信号模型。
来源:Li Y et al. · Science advances · CC BY-NC
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论文信息

Li Y, Li L, Wang Y, Li X, Ding X, Li L, Fei F, Zheng Y, Cheng L, Duan S, Parpura V, Wang Y, Chen Z.
Cholinergic signaling to CA1 astrocytes controls fear extinction
Science advances · 2025-04-04
DOI: 10.1126/sciadv.ads7191