本方案全面描述了一种可同时记录多个与记忆相关脑区中神经元和星形胶质细胞钙信号的方法，并展示了其在学习与记忆行为范式中的应用。
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本文内容
摘要
摘要
学习与记忆在很大程度上依赖于分布在不同脑区的神经元与星形胶质细胞之间的协调作用。星形胶质细胞通过调节突触传递和神经元兴奋性，参与记忆相关环路中信息的编码与巩固过程。星形胶质细胞与神经元在脑内各区域内部及区域之间的相关性，对于理解记忆与认知障碍至关重要。然而，在记忆行为过程中同时监测多个脑区的星形胶质细胞和神经元活动仍面临技术挑战。本文介绍了一种可在多个记忆相关脑区同时记录星形胶质细胞和神经元钙信号的方法。该策略结合了细胞类型特异性的双色遗传编码钙指示剂（GECIs）、多通道光纤光度系统以及同步化的行为追踪技术，实现了对内侧前额叶皮层（mPFC）、海马CA1区以及内侧内嗅皮层（MEC）中神经元和星形胶质细胞活动的实时监测。代表性结果表明，在物体识别任务期间，不同脑区和细胞类型之间存在协调的钙动力学变化。该方法为研究学习与记忆过程中星形胶质细胞–神经元相互作用提供了一个可重复且高效的实验框架。
引言
学习和记忆是基本的认知过程，涉及信息的获取、存储与提取，对适应性行为的形成至关重要。这些过程支撑着多种复杂功能，例如空间导航、物体识别、情境关联以及决策。此外，包括阿尔茨海默病、年龄相关性认知障碍和创伤性脑损伤在内的认知功能障碍疾病，均表现出记忆形成异常1,2,3。因此，要全面理解学习与记忆的神经基础，必须阐明不同细胞类型之间在信息编码和提取过程中，于脑区内部及脑区之间发生的动态相互作用。
传统上，记忆的形成被认为主要由神经元活动决定。然而，大量研究表明，星形胶质细胞在信息编码、巩固和提取过程中发挥着重要的调控作用。星形胶质细胞通过调节突触传递、调控神经元兴奋性、释放胶质递质以及提供代谢支持来实现这些功能4,5,6,7,8。星形胶质细胞与神经元之间存在动态相互作用，这种双向通信通常被称为"星形胶质细胞-神经元网络"9,10,11。因此，理解星形胶质细胞与神经元之间的协调相互作用，对于揭示学习与记忆的细胞和网络机制至关重要。
学习与记忆依赖于多个脑区之间信息的动态整合。星形胶质细胞与神经元之间的相互作用不仅局限于局部微环路，还延伸至参与记忆功能的广泛分布脑区，包括内侧前额叶皮层（mPFC）、海马CA1区和内侧内嗅皮层（MEC）。mPFC参与记忆巩固和长期记忆的调控；CA1在情景记忆的编码与再激活中起核心作用；而MEC则是空间信息与多模态信息整合的枢纽，为海马-皮层环路提供关键输入12,13,14,15,16。越来越多的证据表明，这些脑区中的星形胶质细胞与神经元共同参与跨区域的协调动态过程，在学习与记忆期间的信息传递和状态转换中发挥关键作用17,18。
尽管人们对星形胶质细胞与神经元在记忆处理中的协同功能的认识日益加深，但在自由活动动物执行行为任务时，仍存在一项重大的技术挑战，即如何同时监测多个与记忆相关脑区中星形胶质细胞和神经元的钙活动。双光子成像具有高空间分辨率，但受限于成像深度且需要头部固定19,20；多通道电生理记录可实现高时间分辨率，但缺乏细胞类型特异性，且无法区分星形胶质细胞的钙信号。因此，研究人员开发了一种方法，可在自由活动的小鼠中实现跨多个与记忆相关脑区的星形胶质细胞和神经元钙信号的同步记录。基因编码钙指示剂（GECIs）通过CaM/M13在Ca2+依赖性下的构象变化来报告细胞内Ca2+动态，从而调控基因编码荧光蛋白的荧光强度。双色GECI方法利用光谱可分离的指示剂（如绿色和红色钙传感器），结合细胞类型特异性启动子，实现在同一脑区内对星形胶质细胞和神经元Ca2+活动的同步记录。通过结合细胞类型特异性的双色GECI（GCaMP6f和jRGECO1a）与多通道光纤光度系统，已成功实现了对mPFC、CA1和MEC中神经元与星形胶质细胞钙活动的实时监测。此外，以新物体识别（NOR）任务为例，已证明在学习任务中跨脑区和细胞类型的钙动力学具有协调性。该方法是一种可重复、可靠且可扩展的实验方案，可用于研究学习与记忆过程中跨脑区的星形胶质细胞-神经元协同活动。
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方案
所有动物实验均经第三军医大学动物护理和使用委员会批准（动物伦理批准编号：AMUWEC20230126），并依照第三军医大学《实验动物护理和使用指南》进行，以确保动物的伦理待遇。所用试剂和设备列于材料表中。
为确保实验人员的安全，所有涉及活体动物和病毒载体的实验操作均需穿戴防护服、无菌手套和口罩后进行。所有器械在使用前均经过彻底灭菌，实验台面在每次实验前后均用70%乙醇清洁。剩余材料根据机构的废弃物处理规定进行处置。所有试剂和设备的操作均应避免与皮肤或眼睛直接接触。
1. 动物准备与病毒处理
- 将4个月大的C57BL/6小鼠（雌雄均有）饲养在12小时光照/12小时黑暗循环条件下 随意摄取 食物和水的获取
- 使用前立即将AAV5-GfaABC1D-GCaMP6f或AAV9-hSyn-jRGECO1a的分装样品置于0–4 °C冰上解冻。
- 将拉制的玻璃微量移液管（尖端直径 15–25 μm）连接至注射器，并安装在显微注射泵上。
- 将小鼠置于无菌手术台上，并使用70%乙醇对所有器械进行消毒。
2. 立体定位病毒注射
注意：本研究采用两步病毒注射策略。在当前实验条件下，该策略可稳定、可靠地实施，所得表达模式与预期的细胞类型特异性启动子谱一致。
- 首次手术：AAV5-GfaABC1D-GCaMP6f（滴度：7 × 1012 vg/mL）注射用于星形胶质细胞
- 在麻醉舱中使用3%异氟烷诱导麻醉，随后以0.8%–1.2%异氟烷维持麻醉 通过 鼻锥（遵循机构批准的方案）。
- 使用加热垫将体温维持在37–38 °C，并涂抹眼用软膏以防止角膜干燥。
- 去除头皮毛发并彻底消毒皮肤。沿中线做切口以暴露颅骨表面。
- 将头部置于立体定位仪中，调整前囟和后囟缝使其处于同一水平面，并进一步调节框架，确保在前囟两侧各2 mm的侧点处于同一水平。
- 使用小鼠脑图谱，以前囟为参考点确定立体定位坐标。
mPFC：AP +1.8 mm，ML +0.3 mm，DV −3.0 mm
CA1：前后 -2.1 mm，左右 +1.6 mm，腹背 -1.2 mm
MEC：AP −4.5 mm，ML −2.9 mm，DV −2.0 mm - 在每个位点上方钻出一个直径为0.6 mm的环形颅骨开窗，打开颅骨后保持硬脑膜湿润且完整。
- 以5 nL/s的速度将GCaMP6f病毒注入注射器中，并将注射器安装至立体定位仪机械臂上。
- 缓慢降低移液管，以0.6 nL/s的速度注入150 nL，保持8分钟，然后以0.1 mm/s的速度撤出。对所有区域重复此操作。
- 用组织粘合剂封闭切口，并等待 2 周以使病毒表达。
- 二次手术：AAV9-hSyn-jRGECO1a（滴度：1 × 1013 vg/mL）注射用于神经元。
注意：手术在首次病毒注射后14天进行。- 按照上述方法（步骤 2.1.1）诱导并维持麻醉。
- 保持体温并保护眼睛。
- 沿中线重新切开头皮并平整颅骨。
注意：通过将前囟（bregma）和后囟（lambda）置于同一水平面来使颅骨水平。 - 清除第一次手术时颅窗位置的组织碎屑，暴露完整的硬脑膜。
- 以bregma为参考点调整坐标，严格按照此前所述的相同坐标和深度进行注射。
- 以5 nL/s的速度向病毒注射器中填充jRGECO1a病毒，并安装注射器。
- 以0.6 nL/s的速度注射150 nL，维持8分钟，然后缓慢撤出。对所有区域重复此操作，并给予3周时间进行病毒表达。
3. 多位点光纤光度探针植入
注意：在注射 jRGECO1a 后立即进行。
- 将光纤插芯安装到立体定位仪的持握装置中。
- 将光纤（1.25 mm插芯，200 μm纤芯，NA 0.39）置于病毒注射深度上方100–150 μm处：
mPFC：前囟后 +1.8 mm，内侧/外侧 +0.3 mm，背侧/腹侧 −2.9 mm
CA1：前囟后 −2.1 mm，内侧/外侧 +1.6 mm，背侧/腹侧 −1.1 mm
MEC：前囟后 −4.5 mm，内侧/外侧 −2.9 mm，背侧/腹侧 −1.9 mm - 用组织粘合剂封闭颅骨开窗，并用牙科水泥固定插芯。
4. 多通道光纤光度记录
注意：为了确保两种钙指示剂的稳定且充分表达，多通道光纤光度记录在第二次病毒注射后三周进行。
- 在三天内，每天一次使小鼠适应光纤系统和实验区域。
- 病毒表达3周后，使用诱导舱通过3%异氟烷短暂麻醉小鼠。
- 将束状光纤的一端连接至光纤光度采集系统。
- 设置激发光为两个波长：470 nm 和 560 nm。
- 将采集频率设为 30 Hz。
- 将束状光纤另一端的三个分支分别连接至三个脑区：通道1连接至mPFC，通道2连接至CA1，通道3连接至MEC。
- 将小鼠放入边长为50 cm的开放区域，允许其自由探索。
- 10分钟后，断开光纤连接，并将小鼠放回其饲养笼中。
- 在新物体识别任务期间进行光纤光度记录
注意：每次试验前，使用75%乙醇清洁平台和物体。- 将两个相同物体放置在对角的两个象限中。
- 在轻度麻醉状态下连接光纤束。
- 允许小鼠探索物体10分钟，然后在不移除光纤的情况下将其放回饲养笼。
- 在小鼠新物体识别测试期间进行光纤光度记录。
注意：如果运动伪影过多导致无法获得稳定的记录数据，则排除该次试验。- 调节刺激激光器：
470 nm 用于 GCaMP6f（星形胶质细胞）
560 nm 用于 jRGECO1a（神经元） - 以30 Hz频率记录钙信号，并与30 Hz的视频追踪同步。在开始采集时，将激光二极管置于视频帧内（位于小鼠视野之外），作为时间标记。
- 学习阶段结束后10分钟，将其中一个物体替换为新物体，并将小鼠重新放入环境中进行10分钟的探索记录。
- 断开带有陶瓷插芯的光纤连接，并将小鼠放回其饲养笼中。
- 调节刺激激光器：
5. 数据处理与分析
注意：在光纤记录中，只有当钙离子（Ca2⁺）瞬时信号的振幅超过噪声带标准差的三倍时，才将其归类为真实信号21,22,23。新物体识别实验（NORT）方案24：将小鼠与物体的物理接触（如用鼻子触碰或嗅闻）定义为物体交互事件。信号定量分析中，基线定义为交互起始时刻（t=0）前 -2 至 -1 秒时间窗口内的平均信号值。参照既定方案，设定事件周围分析窗口为每次物体交互开始前 2 秒至交互开始后 4 秒。
- 将荧光信号导入分析软件。
注意：荧光信号处理采用专有分析软件，遵循标准的光纤光度法工作流程。该软件本身并非开源，无法共享。有关光纤光度法信号处理的一般方法学考量，请参见近期的方法学报告25。 - 进行基线校正，并利用同步视频将钙信号对齐至新物体识别任务（NOR任务）的起始时刻。
- 将 ΔF/F 转换为 Z 分数，用于不同脑区及双色信号之间的比较9：
注意：
(ΔF/F)mean：ΔF/F 的均值。
(ΔF/F)std：ΔF/F 的标准差。
Fraw：原始荧光强度。
Fbaseline：基线荧光强度（预定义基线时间段内的均值）。 - 量化星形胶质细胞和神经元钙信号在探索新物体与熟悉物体期间的曲线下面积（AUC）等指标。
6. 记录后的组织学验证
- 通过腹腔注射过量戊巴比妥麻醉小鼠，直至确认完全丧失反射。
- 用生理盐水进行经心灌注，随后使用4%多聚甲醛（PFA）灌注。
- 小心解剖脑组织，并在4°C下用4% PFA固定12–24小时。
- 将脑组织转移至含30%蔗糖的PBS溶液中，4°C保存直至组织沉底，以实现冷冻保护。
- 将脑组织包埋于最佳切割温度化合物中，冷冻后使用冷冻切片机切割冠状面切片（厚度40 μm）。
- 进行免疫荧光染色以验证病毒表达及光纤植入位置。
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结果
根据上述方案，对4月龄C57小鼠的mPFC、CA1和MEC区域进行了双色多部位光纤记录。在本研究中，我们采用两步病毒注射策略，依次引入两种指示剂。在本实验条件下，该策略可稳定、可靠地实施，所得表达模式与预期的细胞类型特异性启动子谱一致。
在第0天，将AAV5-GfaABC1D-GCaMP6f注射至三个脑区；在第14天，于相同坐标位置注射AAV9-hSyn-NES-jRGECO1a，随后立即植入光纤（图1）。经过3周的病毒表达后，在自由活动的小鼠中，同时记录其在开放场探索和新物体识别任务期间的星形胶质细胞和神经元钙信号。
为了验证病毒表达的细胞类型特异性，对所有三个脑区进行了免疫组织化学染色。共聚焦成像显示，GCaMP6f 荧光信号与星形胶质细胞标志物 S100β 存在强烈重叠，jRGECO1a 与神经元标志物 NeuN 也表现出显著的共定位（图 2A–C）。这些结果证实，本实...
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讨论
本研究建立了一种方法，可在小鼠学习与记忆相关行为过程中，同步记录多个与记忆相关脑区中星形胶质细胞和神经元的钙活动。与单脑区成像28或电生理技术不同，多脑区同步记录能够捕捉分布式的记忆网络之间的协调动态，因而成为研究学习与记忆的有力工具9,29,30。该方法结合细胞类型特异性的双色基因编码钙离子探针（GECIs）、多通道光纤光度系统以及与行为同步的数据采集技术，实现了跨脑区和细胞类型的群体活动的长期稳定记录。该平台可用于绘制参与学习与记忆行为的星形胶质细胞–神经元环路中不同空间范围内的功能连接图谱。
共注射已被报道为一种实用的方法，可协调荧光指示剂的表达时间进程31,32。在本研究中，我们采用了一种顺序式的两步病毒注射策略，作为与实验流...
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披露
作者声明不存在任何利益冲突，无论是经济方面还是其他方面。
致谢
感谢楼佳女士提供的技术协助，以及Sai Te Xin Si（AI工具）在语言编辑方面提供的帮助。本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：82371485、82588301、32400932）和中国重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2024NSCQ-JQX0024、2024NSCQ-MSX1104）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 75 RN 5 μL 注射器（无针头） | Hamilton | 7634-01 | 连接微量移液器以进行病毒注射 |
| AAV5-GfaABC1D-GCaMP6f | Addgene | 52925 | 星形胶质细胞特异性 GCaMP6f 表达 |
| AAV9-hSyn-NES-jRGECO1a | Addgene | 100854 | 神经元特异性红移钙离子指示剂 |
| Bepanthen 眼鼻软膏 | Bepanthen | MA0008 | 防止角膜干燥 |
| 带陶瓷套管的光纤束 | Inper | BFO-1x3-W1.25 | 将植入式光纤连接至光度测量系统 |
| 相机 | 心灵之眼 | MV-SUA502C-T | 与钙信号同步的行为视频 |
| 牙科粘固剂 | NISSIN | Super-Bond C&& B | 用于将套管固定在颅骨上 |
| 套筒夹持器 | Inper | SCH-1.25 | 在植入过程中牢固固定陶瓷套管 |
| 异氟烷蒸发器 &和麻醉系统 | RWD生命科学 | R510-29 | 用于麻醉诱导与维持 |
| 多通道光纤光度系统 | RWD生命科学 | R821 | 用于双色记录 |
| OFRS 软件 | RWD生命科学 | 分析记录的钙信号 | |
| 光纤 | RWD生命科学 | R-FOC-BL200C-39N | 植入目标脑区 |
| 立体定位仪 | RWD生命科学 | 68801 | 用于精确的病毒注射和光纤植入 |
| 注射泵 | KD Scientific | 788130 | 以可控速率递送病毒 |
| 组织胶 | 3M 动物护理产品 | 1469SB Vetbond | 用于切口闭合 |
参考文献
- Eichenbaum, H. Memory: Organization and Control. Annu Rev Psychol. 68, 19-45 (2017).
- Kamatham, P. T., Shukla, R., Khatri, D. K., Vora, L. K. Pathogenesis, diagnostics, and therapeutics for Alzheimer’s disease: Breaking the memory barrier. Ageing Res Rev. 101, 102481(2024).
- Graff-Radford, J., et al. New insights into atypical Alzheimer’s disease in the era of biomarkers. Lancet Neurol. 20 (3), 222-234 (2021).
- Araque, A., et al. Gliotransmitters travel in time and space. Neuron. 81 (4), 728-739 (2014).
- Khakh, B. S., Sofroniew, M. V. Diversity of astrocyte functions and phenotypes in neural circuits. Nat Neurosci. 18 (7), 942-952 (2015).
- Di Castro, M. A., et al. Local Ca2+ detection and modulation of synaptic release by astrocytes. Nat Neurosci. 14 (10), 1276-1284 (2011).
- Savtchouk, I., Volterra, A. Gliotransmission: Beyond Black-and-White. J Neurosci. 38 (1), 14-25 (2018).
- Perea, G., Navarrete, M., Araque, A. Tripartite synapses: Astrocytes process and control synaptic information. Trends Neurosci. 32 (8), 421-431 (2009).
- Wang, H., et al. Mapping multi-regional functional connectivity of astrocyte-neuronal networks during behaviors. Neurophotonics. 11 (4), 045010(2024).
- Lines, J., Martin, E. D., Kofuji, P., Aguilar, J., Araque, A. Astrocytes modulate sensory-evoked neuronal network activity. Nat Commun. 11 (1), 3689(2020).
- Lines, J., et al. Astrocyte-neuronal network interplay is disrupted in Alzheimer’s disease mice. Glia. 70 (2), 368-378 (2022).
- Brincat, S. L., Miller, E. K. Frequency-specific hippocampal-prefrontal interactions during associative learning. Nat Neurosci. 18 (4), 576-581 (2015).
- DeNardo, L. A., et al. Temporal evolution of cortical ensembles promoting remote memory retrieval. Nat Neurosci. 22 (3), 460-469 (2019).
- Kitamura, T., et al. Engrams and circuits crucial for systems consolidation of a memory. Science. 356 (6333), 73-78 (2017).
- Gonzalo Cogno, S., et al. Minute-scale oscillatory sequences in medial entorhinal cortex. Nature. 625 (7994), 338-344 (2024).
- Roudi, Y., Moser, E. I. Grid cells in an inhibitory network. Nat Neurosci. 17 (5), 639-641 (2014).
- Williamson, M. R., et al. Learning-associated astrocyte ensembles regulate memory recall. Nature. 637 (8045), 478-486 (2025).
- Curreli, S., Bonato, J., Romanzi, S., Panzeri, S., Fellin, T. Complementary encoding of spatial information in hippocampal astrocytes. PLoS Biol. 20 (3), e3001530(2022).
- Oheim, M., Michael, D. J., Geisbauer, M., Madsen, D., Chow, R. H. Principles of two-photon excitation fluorescence microscopy and other nonlinear imaging approaches. Adv Drug Deliv Rev. 58 (7), 788-808 (2006).
- Helmchen, F., Denk, W. Deep tissue two-photon microscopy. Nat Methods. 2 (12), 932-940 (2005).
- Zhang, K., Chen, X. Sensory response in host and engrafted astrocytes of adult brain in vivo. Glia. 65 (12), 1867-1884 (2017).
- Qin, H., et al. A visual-cue-dependent memory circuit for place navigation. Neuron. 99 (1), 47-55.e44 (2018).
- Yao, J., et al. A corticopontine circuit for initiation of urination. Nat Neurosci. 21 (11), 1541-1550 (2018).
- Mirzayi, P., Shobeiri, P., Kalantari, A., Perry, G., Rezaei, N. Optogenetics: Implications for Alzheimer’s disease research and therapy. Mol Brain. 15 (1), 20(2022).
- Simpson, E. H., et al. Lights, fiber, action! A primer on in vivo fiber photometry. Neuron. 112 (5), 718-739 (2024).
- Chen, T. W., et al. Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature. 499 (7458), 295-300 (2013).
- Dana, H., et al. Sensitive red protein calcium indicators for imaging neural activity. Elife. 5, 12727(2016).
- Serikov, A., Martsishevska, I., Shin, W., Kim, J. Protocol for in vivo dual-color fiber photometry in the mouse thalamus. STAR Protoc. 5 (2), 102931(2024).
- Gilbert, C. D. Horizontal integration and cortical dynamics. Neuron. 9 (1), 1-13 (1992).
- de Pasquale, F., Corbetta, M., Betti, V., Della Penna, S. Cortical cores in network dynamics. Neuroimage. 180 (Pt B), 370-382 (2018).
- Suthard, R. L., et al. Engram reactivation mimics cellular signatures of fear. Cell Rep. 44 (10), 116409(2025).
- Sandoval, K. C., Rychlik, J., Choe, K. Y. Calcium dynamics in hypothalamic paraventricular oxytocin neurons and astrocytes associated with social and stress stimuli. eNeuro. 12 (5), (2025).
- Srinivasan, R., et al. Ca(2+) signaling in astrocytes from Ip3r2(-/-) mice in brain slices and during startle responses in vivo. Nat Neurosci. 18 (5), 708-717 (2015).
- Spellman, T., et al. Hippocampal-prefrontal input supports spatial encoding in working memory. Nature. 522 (7556), 309-314 (2015).
- Hu, W., et al. Optogenetics sheds new light on tissue engineering and regenerative medicine. Biomaterials. 227, 119546(2020).
- Liddelow, S. A., et al. Neurotoxic reactive astrocytes are induced by activated microglia. Nature. 541 (7638), 481-487 (2017).
- Shah, D., et al. Astrocyte calcium dysfunction causes early network hyperactivity in Alzheimer’s disease. Cell Rep. 40 (8), 111280(2022).
- Jiménez-Balado, J., Eich, T. S. GABAergic dysfunction, neural network hyperactivity and memory impairments in human aging and Alzheimer’s disease. Semin Cell Dev Biol. 116, 146-159 (2021).
- Lin, R., Guo, Y., Jiang, W., Wang, Y. Advanced technologies for the study of neuronal cross-organ regulation: a narrative review. Adv Technol Neurosci. 1 (2), 166-176 (2024).
- Reitman, M. E., et al. Norepinephrine links astrocytic activity to regulation of cortical state. Nat Neurosci. 26 (4), 579-593 (2023).
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