双光子钙成像揭示额叶联合皮层树突棘在恐惧记忆中的同步与重塑
2026-09-01 来源:本站 点击次数:106记忆如何在大脑中编码、巩固与消退？本研究对恐惧条件化与消退小鼠的额叶联合皮层进行在体双光子成像，发现恐惧学习诱导的响应性树突棘趋向同步且成簇分布，随记忆巩固加强、因消退减弱；因果推断表明，树突棘钙信号既保护自身免于消除，又促进邻近树突棘被清除；树突响应还呈与结构重塑相关的学习依赖性音调辨别，为二者双向学习关联提供证据。 
论文由 Xiaoyang Li、Qiyu Zheng 为共同第一作者，Cora Sau Wan Lai 为通讯作者，合作者 Kim Hoi Kin Wong、Kenneth Kin Yip Wong。论文题为 Linking functional and structural dendritic spine remodeling during fear learning and extinction in vivo，2026年7月发表于 Science Advances。
重要发现
01跨多天在体成像记录树突棘的功能与结构动态
研究者选取整合多种感觉输入的小鼠额叶联合皮层作为研究区域，通过腺相关病毒载体在第5 层锥体神经元中稀疏共标记结构标记物 tdTomato 与钙离子荧光探针 GCaMP7s，从而可在同一树突棘上同步获取结构与钙信号。成像在头部固定、可在气浮平台上自由活动的清醒小鼠上进行，双光子成像以 1 赫兹的帧率同步采集钙信号与树突棘结构，并经运动校正保证跨天成像的稳定性。
(A) 额叶联合皮层（FrA）病毒注射与颅骨窗植入示意图。
(B) 双光子成像过程中，头部固定小鼠置于气浮平台上。
(C) 运动校正（MC）处理前后的代表性树突棘图像。
(D) 左侧两幅：锥体神经元（PN）树突的代表性三维重建图与伪彩色 Z 轴层叠成像图；右侧：Z 轴层叠图白色方框对应的放大区域，以及基线记录阶段对应树突棘的钙信号。
实验采用声音线索恐惧条件化范式：以4 千赫兹音调作为条件刺激，与足底电击配对呈现（配对组），以 12 千赫兹音调作为对照刺激；另设音调与电击随机组合的非配对对照组。成像时间点包括基线（D0）、条件化后 1 小时内（D1）、2 天后（D3）及消退后的第 5 天（D5），其中消退组连续两天反复呈现条件刺激，非消退组则留在笼内。
上方：各成像实验的时间流程。左下：包含多个树突棘的代表性树突片段；红色标记与带红色星号的 6 号树突棘活动同步的树突棘。中下与右下：对应左侧树突片段中各个树突棘的活动曲线以及热图。
结果显示，恐惧学习后整体树突棘对条件刺激的钙响应立即增强，且仅对4 千赫兹条件音调产生偏好；该响应在配对组中于 D3 得到巩固，而非配对组未出现持续响应。消退训练削弱了 D1 至 D3 期间增强的条件刺激净响应，提示长期记忆巩固可能依赖稀疏编码，仅由部分神经元或突触承担。
02成簇的树突棘同步活动驱动树突整合研究者对同一树突内树突棘钙活动进行两两时间相关性分析，将显著正相关的树突棘对定义为同步对。结果发现，恐惧学习使条件刺激响应性树突棘更易发生同步活动，同步树突棘对空间距离更近、呈成簇分布；单个树突棘的同步概率与其条件刺激净响应显著正相关。这种关联仅见于配对组，随记忆巩固进一步加强，却因消退被打乱。进一步分析显示，树突中同步对的比例（树突相干性）与树突主干钙响应显著正相关。
为验证同步性对树突计算的贡献，研究者基于NEURON 模拟器构建了包含兴奋性锥体神经元、两类抑制性中间神经元及长投射输入神经元的生物物理精细神经网络模型。模型模拟关联恐惧学习后，同步刺激参考树突棘及其同步群体，结果显示同步群体激发的树突响应显著强于非同步群体；改变突触可塑性相关参数后结论依然稳健。计算模型与实验观察共同表明，恐惧学习塑造的突触同步性以成簇方式贡献于树突信号整合。
03结构重塑驱动树突水平的音调辨别研究者依据D1 至 D3 的结构变化将树突棘分为被消除、稳定与新形成三类。结果显示，最终被消除的树突棘在 D1 几乎不响应条件刺激，而稳定存活的树突棘在配对组中表现出并巩固了条件刺激响应；新形成的树突棘在非消退组中经进一步巩固后于 D5 获得响应，消退训练则破坏了这一过程。恐惧消退后新形成的树突棘倾向出现在先前被消除树突棘的邻近位置，且距消除位置越近，对条件刺激的钙响应越低。
在树突整体水平，研究者对所有树突钙信号进行主成分分析，计算树突对条件刺激与对照刺激响应的辨别指数。结果显示，配对恐惧学习巩固后树突对两种音调的辨别显著增强，消退后辨别指数下降，呈现双向可逆性；树突的重塑比例可预测辨别变化的增减。这些结果表明，树突棘的结构重塑与树突水平的音调辨别计算相互对应，构成恐惧记忆巩固与消退的突触级基础。
创新与亮点
该研究突破的核心难题在于：以往在体成像要么只追踪树突棘结构、要么只测量急性功能，难以在自然学习行为中跨多天同时解析同一突触群体的功能动态与结构命运。其创新在于将长时程纵向双光子钙成像与结构成像结合到恐惧条件化与消退这一双向学习范式，在同一树突棘上同步记录钙信号与形态，并借助生物物理精细神经网络模型验证同步性对树突整合的因果贡献；同时引入工具变量法两阶段最小二乘进行因果推断，破解混杂因素对树突棘消除机制判定的干扰。在光学生物医疗领域，该技术路径为无创、长时程追踪突触可塑性提供了可复用的在体光学评估框架，可用于恐惧相关精神疾病如创伤后应激障碍的机制研究，以及候选药物与干预手段对突触重塑作用的纵向评估，为记忆相关疾病的机制探索与疗效监测提供光学层面的生物标志物依据。
总结与展望
该研究在在体、纵向维度揭示恐惧学习与消退中树突棘功能与结构的协同：响应性树突棘以成簇同步方式参与树突整合，自身钙信号保护其存活并促使邻近树突棘竞争性消除，结构重塑双向调控树突水平的音调辨别，为理解突触可塑性支撑记忆巩固与可逆消退提供证据。未来可探究不同树突间记忆痕迹的分配与协作，结合更高分辨率的成像与光遗传干预，阐明树突棘重塑在神经元乃至环路水平记忆计算中的作用，并为记忆障碍相关疾病干预提供靶点。
声明：本文仅用作学术目的。
Xiaoyang Li et al. ,Linking functional and structural dendritic spine remodeling during fear learning and extinction in vivo.Sci. Adv.12,eaec3961(2026).
doi:10.1126/sciadv.aec3961