記憶的前奏曲：BTSP解碼空間導航的神經法則

之前的文章也提到許多有關行為時間尺度的突觸可塑性(BTSP, Behavioral Timescale Synaptic Plasticity)的研究，今天帶大家認識一個不同的BTSP模型。BTSP在先前生物上的研究顯示，由平台電位（plateau potential）引發的、特定位置的細胞膜內電位去極化增強，是由於突觸特異性的、與空間位置相關的興奮性輸入強度增加所導致的機制。

研究人員先分析平台電位（plateau potential）引起的細胞膜內電位（Vm）變化的空間分佈 (ΔVm)，將每條 ΔVm 曲線與平台電位的位置對齊後（圖1 B）可觀察到，平台位置附近的Vm去極化隨著距離增加而遞減，最終轉變為Vm的超極化。在離平台電位更遠的位置，ΔVm 逐漸回到零。若平台電位啟動時間與初始場所場的Vm斜坡之間的時間延遲超過4-5秒時（圖1F），則該超極化現象會顯著減弱，甚至消失。這表明突觸抑制具有明確的時間限制特性；有趣的是，正向變化在時間上相對於平台電位啟動時間也表現出不對稱性。
圖1，原論文Fig2 B、F

根據上面的研究，研究人員總結了以下特徵:
--BTSP會在樹突平台電位發生前後約6秒內被激活的輸入處誘發突觸權重的雙向變化。
--突觸權重變化的方向和幅度取決於每個突觸的初始狀態，較弱的輸入會增強，而較強的輸入會受到抑制。
--BTSP會調整突觸權重，使得場所細胞的膜電位時間曲線趨近於一種穩定的目標形狀，其峰值接近於平台電位發生的時間位置，並隨著距離的增加逐漸衰減。

基於以上幾種條件，研究人員建構了由兩種訊號共同調控的突觸可塑性規則(式一，圖2A)，分別是突觸資格信號（eligibility trace，ET）和指導信號（instructive signal, IS），這樣的模型還能支援不同權重的動態表現(圖2B)
式一，BTSP方程式

圖2，原論文Fig5 A、B

最後，研究人員探討了在海馬神經迴路中產生樹突平台電位的情形，基於以下4個條件和圖的架構可得和動物實驗相似的結果(圖3A):
--平台電位受到來自內嗅皮層（entorhinal cortex）的興奮性輸入的正向調控 
--平台電位受到針對樹突的抑制性輸入的負向調控 
--平台電位在新環境中更頻繁地出現
--引入一個固定的獎勵位置會導致許多場所細胞的場所場位置發生大幅度偏移

其中有意思的是，由於BTSP具有非對稱的時間動態，模型中對目標位置的群體表徵會在實際目標位置之前達到峰值，從而產生一種「預測性記憶」（predictive memory）的表現形式，代表著通往目標的路徑，而在最終的無獎勵探索階段，模擬的場所細胞活動也會保持穩定(圖3C)。
圖3，原論文Fig7 A、C

總結來說，BTSP誘發的突觸權重變化受平台電位發生時機與空間距離的影響，並具有非對稱的時間動態。在本研究中，模型整合了資格信號與指導信號，成功模擬了海馬場所細胞的動態特徵，為理解空間記憶及導航行為提供了重要線索。


撰文：周峻廷


原始論文：Milstein, A. D., Li, Y., Bittner, K. C., Grienberger, C., Soltesz, I., Magee, J. C., & Romani, S. (2021). Bidirectional synaptic plasticity rapidly modifies hippocampal representations. Elife, 10, e73046.

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