Cell Reports Volume 40, Issue 7, 16 August 2022, 111229
Motor learning-induced new dendritic spines are preferentially involved in the learned task than existing spines (運動学習によって誘発される新しい樹状突起スパインは、既存のスパインよりも優先的に学習課題に関与する)
Qian Qiao 12, Chunling Wu 2, Lei Ma 2, Hua Zhang 12, Miao Li 2, Xujun Wu 1, Wen-Biao Gan 1 2 3
Shenzhen Bay Laboratory, Shenzhen 518132, China
School of Chemical Biology and Biotechnology, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China 北京大学 – 化学生物学与生物技术学院
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111229
Abstract
学習は、既存のシナプス強度の変化に加えて、新しいシナプスの形成を誘導する。しかし、新しいシナプスが既存のシナプスと異なる機能を果たすかどうかは、依然として不明である。我々は、2/3層錐体ニューロンにおけるシナプス後樹状突起スパインの2光子構造イメージングとCa2+イメージングを行うことで、運動トレーニングの8-24時間後にマウス運動野において新しいスパインの形成が増加することを示した。既存のスパイン集団ではなく、新しいスパインが、マウスが新しい課題ではなく学習した課題を行うときに優先的に活性化する。また、新しいスパインの活動は、新しい課題ではなく学習した課題を実行したときに、樹状突起／体細胞の活動とより同期する。さらに、新しいスパインはニューロンのサブセットでタスクの特異性を高めるために形成され、新しいタスクを学習してもその生存には影響しない。これらの知見は、運動学習の保持段階では、既存のシナプスよりも新たに形成されるシナプスの方が優先的にニューロンの課題特異性を高めることを示唆している。
Keywords
dendritic spines, synapses, motor learning, two-photon imaging
ハイライト
2/3層錐体細胞において、学習によって誘導された新しいスパインがタスクに偏った活動を示す。
学習により、既存のスパイン集団の活動は変化するが、課題特異性は変化しない
新しいスパインは樹状突起や体細胞の活動と同期し、課題特異的な活動を示す。
新しいスパインが形成され、維持されることで、 いくつかのニューロンの課題特異性が高まる。
Introduction
活動依存的なシナプス強度の増強と脱強化は、学習と記憶形成におけるニューロン回路の急速かつ持続的な変化に不可欠であると考えられている（Bliss and Lomo, 1973; Malenka and Nicoll, 1993; Markram et al.） シナプス強度の変化に加えて、学習や感覚体験は新しいシナプスの形成も誘導する（Hayashi-Takagi et al.） 持続的な新しいシナプス後樹状突起スパインの量は、運動学習後の行動改善と相関する（Xuら、2009；Yangら、2009）。これらの研究から、シナプス強度の変化と新しいシナプスの形成の両方が、学習後の行動改善の基礎となる神経回路の修正に重要な寄与をしていることが示唆される。
学習はシナプス強度の変化と新しいシナプスの形成を伴うが、これらの異なるシナプス変化が神経回路に異なる機能的影響を及ぼすかどうかは依然として不明である。学習後の運動スキルの向上は、おそらく異なる可塑性メカニズムが関与する急速な段階と緩慢な段階からなる（Costa et al.） 活動依存的なシナプス強度の変化は急速に起こり、長期間持続する可能性がある（Harms et al.） したがって、これらのシナプスは運動学習の急速な段階と緩慢な段階の両方に関与していると考えられる。一方、新しいシナプスは若い脳スライスではグルタミン酸刺激によって、また青年期のマウス大脳皮質では運動訓練後1時間以内に急速に形成される（Kwon and Sabatini, 2011; Xu et al., 2009）が、成熟した大脳皮質では通常数時間から数日かけて形成される（Yang et al.） したがって、新しいシナプスは学習の符号化段階ではなく、運動スキルの保持段階に寄与している可能性が高い。学習によって誘導された新しいシナプスは、それ以前には存在しなかったニューロン結合を確立するため、学習した技能を維持する上で、既存のシナプスとは異なる機能を持つ可能性がある。
本研究では、トレッドミル走行中のマウスの一次運動野（M1）の第2/3層（L2/3）錐体ニューロンにおける樹状突起スパインの構造イメージングとCa2+イメージングを行った。この研究から、新しいスパインは学習した課題の遂行中に優先的に活性化し、既存のスパイン集団よりも高い課題特異性を示すことが示された。これらの結果は、学習した運動技能のためのタスク特異的な神経回路を確立する上で、新しいシナプスの重要な機能を示唆している。
(A) A coronal section showing tdTomato and GCaMP6f expression in pyramidal neurons in M1 of 3-week-old mouse after in utero electroporation at embryonic day 15 (E15; left). Distribution of labeled neurons from pial surface (right). 95.2% ± 1.0% of neurons were in L2/3 (8 mice).
(B) Schematic of FW training and behavioral tests (left); performance improved over time (9 mice).
(C) Experimental design and representative images of dendritic spines. Average existed spine sizes increased over 0–1 h in trained mice (n = 148 spines from 8 trained mice; n = 146 spines from 7 control mice). Scale bar, 5 μm.
(D) Existing spines from (C) were divided into 0–1 h increased (left) and decreased (right) groups, and average sizes of both groups were partially reversed over 1–8 h.
(E) Experimental design and example images. Filled arrowheads indicate new spines, and open ones indicate eliminated spines.
(F) Spine formation and elimination increased in trained mice at 8 and 24 h (>7 mice per group). Scale bar, 5 μm.
(A) Classification of high- and low-formation sibling branches according to their formation rates of new spines relative to each other.
(B) Both sibling branches showed significantly higher formation rates of new spines in trained mice (42/13 pairs) than untrained mice (60/18 pairs) over 8 and 24 h.
(C) Boxplot showed the differences between dendrites from different neurons over 0–8 (left) and 0–24 h (right) in trained mice. The red circles represent averaged value of differences in spine formation rate between sibling branches.
(D) Distribution of spine-formation rates of different neurons. Dashed line represents the mean plus 2 times SD of spine formation in control mice.
(E) Specificity index of new (n = 20) and existing (n = 178) spines on HF (left) and LF (right) dendrites/neurons.
(F) Averaged specificity index of all spines (n = 198) is higher in HF than in LF dendrites at 8 h.
(G) Comparisons of Ca2+ activity among HF (12 pairs) and LF (12 pairs) dendrites during the FW or BW test at 8 h.
(H) Experimental design and representative images. Scale bar, 5 μm.
(I) New (left) and existing (right) spines show comparable survival rates over 8–16 h in HF (n = 10) and LF (n = 26) neurons without BW training.
(J) Experimental design with BW training at 16 h.
(K) The survival rate of new spines over 16–24 h in HF neurons was significantly higher than that in LF neurons only when BW was introduced. The survival rates of existing spines were comparable between HF (n = 7) and LF (n = 11) neurons under no training or BW training.
Discussion
運動皮質における新しいスパインと既存のスパインの構造とCa2+活性をイメージングすることにより、我々の研究は、運動学習が8～24時間かけて徐々にスパインの形成を誘導することを示している。学習によって誘導された新しいスパインは、既存のスパイン集団ではなく、学習した課題を行うマウスにおいて課題特異的な活性を示す。さらに、新しいスパインの活動は、既存のスパイン集団よりも樹状突起／神経細胞活動と同期している。さらに、新しいスパインは、学習後にタスクに偏ったL2/3錐体樹状突起／神経細胞のサブセットに形成される。これらの知見は、運動学習によって誘導された新しいスパインが、運動学習の保持期におけるM1のL2/3錐体ニューロンの課題特異的な活性化に寄与していることを示唆している。
シナプス強度の増強と脱力が学習と記憶形成に重要であるという見解（Harms et al. シナプス強度の変化に加えて、運動トレーニングは個々の既存スパインの活動と課題特異性の急速な変化も誘発した。トレーニング後のスパインの大きさの変化と活動性の間に有意な相関は見られなかった。さらに、スパインのサイズは全体的に増加したが、スパインの活動は全体的に減少した。これらの結果は、シナプス強度の変化が個々のスパインレベルでの活動変化の決定要因ではないことを示している。トレーニング後のスパイン活動の変化は、ニューロンの興奮性と抑制の変化を含む、局所的および全体的な回路の変化の組み合わせによる可能性がある（Adlerら、2019；Chenら、2015；Daoudal and Debanne、2003）。1時間の運動トレーニングではスパイン形成の増加は見られなかったため、行動改善の急速な段階は新しいスパインに依存するのではなく、シナプス強度の変化、および神経回路における他の変化に依存する。
既存のスパインのサイズと活動の急速な変化は、トレーニングの7時間後にはほとんど逆転することがわかった。これらのスパインの多くが複数のタスクに関与している可能性が高いことを考えると、既存のスパインの変化を逆転させることは、神経回路において以前に学習したスキルを維持するために必要なのかもしれない。新しいスパインの追加は、運動学習の急速な段階で達成された行動改善レベルを維持するために、このような逆転を補う可能性がある。さらに、新しいスパインは既存のスパイン集団よりも高い課題特異性を示すことから、既存のスパインの変化では達成できないような、学習した行動に特化した神経回路の確立にも貢献する可能性がある。
本研究の限界
学習した課題と新しい課題に対する新しいスパインと既存のスパインの活動を調べることで、本研究は、運動学習によって誘発された新しいスパインが、M1のL2/3錐体ニューロンの一部において課題特異性を高めることを示唆している。技術的な制約から、新しいスパインの形成を特異的に変化させることはできず、このような操作がこれらのニューロンの課題特異性に与える影響を調べることはできなかった。さらに、運動訓練がどのようにタスクに偏った新スパインの形成を誘導するかについては、さらなる研究が必要である。これまでの研究で、非運動性眼球運動（REM）とREM睡眠が、運動学習後のL5錐体ニューロンの新スパイン形成と維持に重要な役割を果たすことが示されている（Li et al.） 今後、異なる睡眠段階がL2/3錐体ニューロンの課題特異的な新スパインの形成と生存を促進する上で同様の役割を持つかどうかを調べることは興味深い。
