纹状体是中枢神经系统的核心脑区之一，对于运动控制、学习记忆、情感表达等许多行为起到重要的调控作用。纹状体中的主体神经元是多棘投射神经元（spiny projection neuron, SPN），它们通过轴突向其他脑区进行投射，与其靶脑区神经元形成化学突触以传递神经信号。之前的一些研究推测，SPN上可能存在着一种形成于神经元自身的轴突与胞体或树突之间的特殊类型化学突触，也就是自突触。自突触的结构在皮层、海马等脑区特定类型神经元上的存在均已得到证实，并会对神经元自身的放电活动提供反馈调控。然而，纹状体神经元是否形成功能性的自突触还未有定论。

近期，系统科学学院王大辉教授团队博士生王轩与复旦大学脑科学转化研究院舒友生教授团队合作，结合神经科学的实验技术和神经系统的计算模拟，对纹状体神经元的自突触进行了深入探索。在急性分离的小鼠脑片上，研究人员对纹状体神经元进行全细胞记录，利用动作电位高频爆发后自突触上延迟出现的神经递质非同步化释放（asynchronous release, AR）现象来识别记录的神经元是否具有功能性自突触。惊讶的是，所有记录到的SPN在动作电位爆发后都没有自突触的AR现象，即使是在细胞外液中存在促进AR的锶离子（Sr2+）的情况下也没有出现AR，提示SPN并没有发育出自突触结构。相反，在另一类纹状体神经元，即小清蛋白（Parvalbumin，PV）阳性的中间神经元上，我们在约半数的记录细胞中观察到了稳定的自突触AR事件（附图A），同时在形态学上也观察到了可能的自突触位点（附图B）。

随后，进一步的实验证明了PV神经元的自突触反应是由离子通道型的GABAA受体所介导的，其强度取决于动作电位爆发的频率和数量。自突触的存在让PV神经元可以对自身放电活动进行负向反馈调节。电生理实验和计算模拟结果均表明，自突触通过自我抑制也调节了PV神经元的放电模式。

接着，通过系统科学方法构建包含自突触的纹状体的网络模型，研究人员发现PV神经元的自突触可以调节特定频段的网络振荡，揭示了自突触在调控纹状体系统中的重要作用。

该工作对纹状体中自突触的自突触存在情况进行了系统分析，揭示了在成年小鼠纹状体中功能性自突触存在于PV阳性的抑制性中间神经元，而不存在于纹状体的主体神经元SPN。PV神经元的自突触不但反馈调控神经元的放电频率，同时也影响其放电模式，特别是簇状放电模式。PV神经元通过自突触的自我反馈以及常规突触对其他神经元的抑制性调节，实现对纹状体网络活动的调控。该研究通过系统科学方法完成了现有实验手段无法进行的探索，基于生理实验观察进行功能拓展和延伸，加深人们对生理结构作用机制的认识。该研究有助于进一步认识自突触的功能，有助于理解纹状体工作机制并进行动力学研究。

该工作以“Functional Autapses Form in Striatal Parvalbumin Interneurons but not Medium Spiny Projection Neurons”为题发表于神经科学重要期刊Neuroscience Bulletin，论文链接https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-022-00991-x。论文第一作者为系统科学学院博士生王轩。该工作得到国家自然科学基金支持。

供稿：王大辉

编辑：郝林青

审核：王大辉