阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种与衰老密切相关的神经退行性疾病。家族性AD是一种常染色体显性遗传疾病，编码淀粉样蛋白前体蛋白和早老蛋白的基因突变会导致家族性AD。然而，目前尚不清楚 AD的这种高风险基因突变是如何影响早期脑的发育，也不清楚在出现明显AD标志性病理标记物之前，突触最初发生了怎样的改变。

Neuroscience Bulletin在2023年第6期以封面文章发表了来自南京大学医学院附属鼓楼医院柏峰教授和美国亚利桑那大学凤凰城医学院Shenfeng Qiu（仇慎峰）教授团队题为“Disrupted Maturation of Prefrontal Layer 5 Neuronal Circuits in an Alzheimer’s Mouse Model of Amyloid Deposition”的研究论文。该研究对常用AD小鼠模型——5XFAD转基因小鼠的前额叶皮层（PFC）第5层（L5）神经元进行了详细的突触生理学表征检测，发现5XFAD转基因小鼠APP/PS1转基因突变形式的表达导致了突触的早期发育缺陷，这可能是年龄依赖性突触病理学和生命后期发生神经变性的重要因素。

转基因突变型APP/PS1过表达小鼠品系是研究AD发病机制的关键工具。在这些品系中，5XFAD转基因小鼠重现了AD病理学的关键特征，包括淀粉样蛋白斑块形成和淀粉样蛋白β（Aβ）诱导的神经退行性变化。研究人员推断，转基因突变体APP/PS1在5XFAD转基因小鼠中的过度表达可能导致早期皮层神经元的神经发育缺陷。因此，研究人员首先使用免疫组织化学染色检测APP/Aβ发现，5XFAD转基因小鼠的PFC神经元在非常早期（出生后21天）就出现APP/Aβ的强免疫反应。接着，研究人员对5XFAD转基因小鼠的PFC-L5神经元进行详细的突触生理学表征检测，发现虽然5XFAD转基因小鼠相比野生型对照组小鼠的PFC-L5神经元表现出相似的细胞膜特性，但5XFAD转基因小鼠的神经元兴奋性显著降低，其PFC-L5神经元接收的微小兴奋性突触后电流幅度和频率均显著减小（图1），并伴随树突棘密度的降低和树突棘头部体积的减小（图2）。上述这些实验结果表明此时5XFAD转基因小鼠PFC-L5神经元的突触成熟受损。

图1 断奶后早期PFC L5神经元的自发突触mEPSC和mIPSC改变。 A 对照组（蓝色）和5XFAD（红色）全细胞膜片钳记录mPFC L5神经元具有代表性的自发mEPSCs。B 量化所有记录的mEPSC事件，5XFAD神经元的mEPSC振幅聚集在左侧，两组小鼠的累积分布曲线有显著差异（D = 0.14，***P C 与对照组小鼠相比，5XFAD小鼠mPFC L5神经元mEPSC频率显著降低（*P = 0.018）。D 对照组（蓝色）和5XFAD（红色）全细胞膜片钳记录mPFC L5神经元具有代表性的自发mIPSCs。E 5XFAD和对照组小鼠神经元，所有记录到的mIPSC振幅具有相似的百分比分布和累积分布。两组小鼠的累积分布曲线未观察到显著差异（K-S检验，P = 0.79）。F 与对照组小鼠相比，5XFAD小鼠mPFC L5神经元mIPSC频率显著降低（*P = 0.02）

图2 5xFAD小鼠mPFC L5神经元断奶后早期树突棘体积和密度降低。A 全细胞膜片钳记录后注入生物胞素，利用亲和素与之结合，荧光显微镜下显示mPFC L5神经元形态（左），并利用Neurolucida软件绘制的神经元形态（右）。B 对WT对照组和5XFAD小鼠mPFC L5神经元做树突分支交叉点的Sholl分析，基因型因素间无显著性差异（P = 0.107, two-way ANOVA，远端树突未进行分析）。C 对两组小鼠mPFC L5神经元树突长度分布进行Sholl分析，基因型因素间未显示显著性差异（F(1, 15) = 0.033; P = 0.86 for main group effects）。D 对照组和5XFAD小鼠mPFC L5神经元树突的代表性树突棘。E 与对照组相比，5XFAD神经元的树突棘密度显著降低（**P = 0.008）。F 5XFAD与对照组神经元在树突棘长度上没有差异（P = 0.49）。G 与对照组相比，5XFAD小鼠神经元树突棘头部体积显著减小（****P

树突棘的大小和几何形状通常与谷氨酸受体含量和功能成熟度相关。研究人员好奇5XFAD转基因小鼠PFC-L5神经元是否会表现出突触谷氨酸受体的变化。因此，研究人员随后使用蛋白免疫印迹法检测小鼠PFC脑组织蛋白表达，发现5XFAD转基因小鼠突触膜蛋白中的谷氨酸AMPA受体GluA1亚基和谷氨酸NMDA受体GluN2A亚基相较对照组显著降低。研究人员进一步使用全细胞膜片钳记录测量与兴奋性突触成熟相关的几个参数，通过记录PFC第2、3层神经元对L5神经元诱发的突触反应，发现AMPA/NMDA受体电流比显著降低，表明突触传递或突触成熟受损。

皮层兴奋性突触成熟通常需要在最初仅包含NMDAR（沉默突触）的突触位点获得活性依赖性AMPA受体，以便使这些突触具有功能。因此，成熟受损可以表现为沉默突触数量的增加。通过使用最小刺激方案，研究人员记录了 PFC-L5神经元中沉默突触的比例，发现相较对照组，5XFAD转基因小鼠缺乏AMPA受体的沉默突触水平显著增高。以上这些实验结果表明，5XFAD转基因小鼠PFC的第2、3层到第5层神经环路功能成熟受损可能是由于突触受体含量改变所导致。

综上所述，该研究表明，5XFAD转基因小鼠模型的突触功能改变发生在生命早期。其中PFC-L5神经元是最早受到APP/PS1突变影响的部位之一，其突触功能被破坏表明转基因突变APP/PS1过表达对皮质回路发育的影响是从早期神经元功能的变化到晚年神经元变性的一个终生过程。因此，尽管AD被认为是一种老年疾病，但由基因突变或风险因素引起的微小神经缺陷可能会在生命早期出现。这项工作表明当前对AD研究的年龄范围可能应当进一步扩大，并且或许应当在细胞和神经环路水平上对AD进行早期干预。

Chen C, Wei J, Ma X, Xia B, Shakir N, Zhang JK, et al. Disrupted maturation of prefrontal layer 5 neuronal circuits in an Alzheimer's mouse model of amyloid deposition. Neurosci Bull 2023, 39: 881–892.

https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-022-00951-5