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内侧前额叶(Medial prefrontal cortex,mPFC)参与多种高级认知功能的调节,包括工作记忆和灵活性学习能力等。α型钙/钙调蛋白依赖型蛋白激酶Ⅱ(alpha-Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ,αCaMKⅡ)是一种重要的蛋白激酶,已被证实在海马相关的学习记忆和突触可塑性中发挥关键作用。αCaMKⅡ在mPFC的表达也很丰富,但是关于αCaMKⅡ在mPFC相关认知功能和突触可塑性中的作用研究较少,其中机制更是尚不清楚。本研究利用化学遗传学技术创建的前脑特异性上调αCaMKⅡ的αCaMKⅡ-F89G转基因小鼠,以及慢病毒包装短发夹RNA干扰技术创建的mPFC特异性下调αCaMKⅡ的αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠,分别研究了特异性上调αCaMKⅡ和下调αCaMKⅡ对mPFC相关认知功能和突触可塑性的影响及其机制。主要研究结果如下:1.上调αCaMKⅡ对mPFC相关认知功能和突触可塑性的影响及其机制1)αCaMKⅡ-F89G转基因小鼠的工作记忆正常,但灵活性学习能力受损T迷宫延迟非位置匹配任务和改良的水迷宫空间工作记忆测试结果显示,αCaMKⅡ-F89G转基因小鼠的空间工作记忆正常。Y-型水迷宫反向任务结果显示,αCaMKⅡ-F89G转基因小鼠的灵活性学习能力受损。2)αCaMKⅡ-F89G 转基因小鼠 mPFC 脑区的 LTP、depotentiation 正常,但NMDAR依赖的LTD受损高尔基染色和离体脑片电生理结果显示,αCaMKⅡ-F89G转基因小鼠mPFC树突棘的密度,基本突触传递、sEPSC、mEPSC、NMDAR/AMPAR电流比值、NMDAR依赖的LTP和depotentiation均正常,但是NMDAR依赖的LTD受损。3)αCaMKⅡ-F89G转基因小鼠mPFC脑区LTD过程中GluA1-Ser845的去磷酸化、AMPAR的内化及PP1的活性均受损,且膜上stargazin的含量增多为了进一步探究上调αCaMKⅡ损害小鼠mPFC脑区LTD的分子机制,我们利用Western blotting检测了诱导Chem-LTD后mPFC膜蛋白中相关分子的变化。结果显示,αCaMKⅡ-F89G转基因小鼠mPFC脑区LTD表达过程中GluA1-Ser845的去磷酸化以及AMPAR的内化受损,并且这些受损可能是由于转基因小鼠LTD过程中PP1的活性受损,以及膜上stargazin的含量增多导致的。2.下调αCaMKⅡ对mPFC相关认知功能和突触可塑性的影响及其机制1)αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠mPFC脑区αCaMKⅡ的表达量显著降低Real-time PCR 和 Western blotting 结果显示,干扰小鼠 mPFC 脑区 αCaMKⅡ的mRNA含量、蛋白表达量以及p-αCaMKⅡ的表达量均显著降低。2)αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠的工作记忆和灵活性学习能力均受损改良水迷宫和自发转换Y迷宫的结果显示,αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠的空间工作记忆受损。注意定势转移任务结果显示,干扰小鼠的学习能力以及灵活性学习能力受损。3)αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠mPFC NMDAR依赖的LTP和LTD均受损离体脑片场电位结果显示,αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠mPFC脑区NMDAR依赖的LTP和LTD均显著低于对照组小鼠,其长时程突触可塑性双向受损。4)αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠mPFC脑区AMPAR和NMDAR的功能受损为了进一步探究下调αCaMKⅡ造成mPFC突触可塑性双向受损的细胞学机制,我们利用全细胞膜片钳记录技术发现,αCaMKⅡ-shRNA干扰小鼠mPFC V层锥体细胞的静息膜电位、输入阻抗、放电数目以及sEPSC和mEPSC的频率都正常,但是sEPSC和mEPSC幅度以及NMDAR/AMPAR电流比值均显著降低。表明mPFC特异性下调αCaMKⅡ损害突触后膜上AMPAR和NMDAR的功能。综上所述,(1)前脑特异性上调αCaMKⅡ不影响小鼠的工作记忆,不影响mPFC脑区的基本突触传递、NMDAR依赖的LTP和depotentiation;但是损害小鼠的灵活性学习能力以及NMDAR依赖的LTD,提示NMDAR依赖的LTD可能是灵活性学习的细胞机制。进一步探究其灵活性学习和NMDAR依赖LTD受损的机制,我们发现上调αCaMKⅡ损害LTD过程中GluA1-Ser845的去磷酸化以及AMPAR的内化,其中机制一方面是由于上调αCaMKⅡ抑制了 LTD过程中PP1的活性。另一方面是由于上调αCaMKⅡ增加了 LTD过程中膜上stargazin的含量。(2)mPFC特异性下调αCaMKⅡ损害小鼠的工作记忆和灵活性学习能力,损害小鼠mPFC脑区的LTP和LTD。进一步研究其受损的机制,发现下调αCaMKⅡ损害突触后膜上AMPAR以及NMDAR的功能。因此无论上调还是下调αCaMKⅡ都会损害小鼠的灵活性学习能力。我们的研究首次发现αCaMKⅡ在灵活性学习以及mPFC脑区的LTD中发挥着重要的作用,并且为“NMDAR依赖的LTD可能是灵活性学习的细胞机制”提供了新的证据。