阿爾茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一種困擾全球的神經退行性疾病，是癡呆癥最常見的病因。隨著人口老齡化加劇，其帶來的社會經濟負擔日益沉重。盡管科學家們不懈探索，但其發病機制至今仍未完全闡明，現有的治療方法也無法有效阻止疾病進展。長期以來，一個備受關注的核心假說是“淀粉樣蛋白級聯”假說，即淀粉樣蛋白β（amyloid-beta, Aβ）的異常沉積被認為是驅動疾病進程的“元兇”。然而，越來越多的證據表明，在神經元發生明顯變性甚至在大腦中出現Aβ斑塊之前，突觸（神經元之間信息傳遞的關鍵結構）的功能障礙和丟失，才是與認知能力下降聯系最緊密的病理變化。那么，在疾病早期，突觸到底是如何丟失的？是產生得太少，還是消亡得太快，抑或兩者兼有？要回答這些動態變化的問題，傳統的、只能觀察“終點”的離體研究方法就有些力不從心了。因此，科學家們將目光投向了能夠“窺視”活體大腦、對同一結構進行長期追蹤的革命性技術——在體雙光子顯微鏡成像。

近期，一篇發表于《Discover Neuroscience》的研究為我們揭示了AD早期突觸丟失的動態圖景。為了深入探究AD早期突觸的“生存狀態”，研究人員沒有采用常規的、需要注射染料或病毒來標記神經元的方法，而是巧妙地構建了一種雜交小鼠模型——5xFAD-M。他們將有五個家族性AD（FAD）相關基因突變、能加速產生致病性Aβ的5xFAD小鼠，與大腦皮層神經元能天然穩定表達綠色熒光蛋白（GFP）的Thy1-EGFP小鼠進行雜交。這樣得到的5xFAD-M后代，其皮層神經元自帶“熒光標簽”，無需任何侵入性操作即可在體進行長期、清晰的顯微成像，完美規避了因注射操作本身可能引發的炎癥或損傷對觀察結果的干擾。通過這種創新的模型，并結合在體雙光子顯微鏡，研究者得以像觀看一部延時紀錄片一樣，在長達數周的時間里，反復觀察并記錄同一只4到6.5月齡小鼠大腦軀體感覺皮層第II-III層錐體神經元頂端樹突棘（樹突棘是接收信息的關鍵突觸后結構）的“生老病死”。

關鍵技術方法：本研究主要應用了雜交小鼠模型構建與在體雙光子顯微成像技術。研究人員通過雜交育種獲得了穩定表達綠色熒光蛋白（GFP）的5xFAD-M小鼠模型，該模型結合了5xFAD小鼠的AD病理特征和Thy1-EGFP小鼠的神經元熒光標記特性，實現了對皮層神經元的無創、長期熒光標記。通過在4月齡和6月齡雄性小鼠的軀體感覺皮層上方植入光學透明顱窗，為在體成像提供了觀察通道。成像使用配備20倍水浸物鏡和飛秒激光器的LSM 880 NLO激光掃描顯微鏡，在910 nm波長激發GFP熒光，對同一樹突片段進行長達7至78天的重復成像和數據采集。所有動物的轉移和實驗在俄羅斯的南方聯邦大學神經技術研究中心和彼得大帝圣彼得堡理工大學分子神經退行性變實驗室的合作框架下完成。

對總計83個樹突片段（對照組Thy1-EGFP 39個，實驗組5xFAD-M 44個）的長期成像數據分析顯示，在4至6.5月齡（出生后120至204天）的觀察期內，5xFAD-M小鼠的樹突棘密度始終顯著低于對照組。對照組小鼠的樹突棘密度均值（Mean ± SEM）為0.359 ± 0.103個/微米，而5xFAD-M小鼠僅為0.143 ± 0.073個/微米。更重要的是，在5xFAD-M小鼠中，樹突棘密度表現出隨年齡增長而逐漸下降的線性趨勢，但在對照組小鼠中未觀察到這種明顯的年齡相關性下降。具體分析不同時間點發現，5xFAD-M小鼠的樹突棘密度在約4月齡（出生后122-124天）時相對最高，隨后在約5月齡和6.5月齡時顯著降低且未能恢復。這些數據清晰地表明，在AD模型小鼠的早期病理階段，其大腦皮層的突觸后結構已經發生了持續且進行性的丟失。

研究不僅關注靜態的密度，更深入分析了樹突棘的動態變化，包括新棘的形成（Gain）、舊棘的消失（Loss）以及形態類型的轉變（Transformation）。研究人員計算了反映單位長度樹突上棘變化強度的“棘動態比率”（SD(t)）和反映變化棘數量占總棘數比例的“棘比例比率”（SP(t)）。結果顯示，對照組Thy1-EGFP小鼠的SD(t)值在所有觀察時間點均顯著高于5xFAD-M小鼠。這意味著在AD模型小鼠中，樹突棘的總體重塑（包括形成、消除和形態轉變）活躍度顯著降低。同時，雖然5xFAD-M小鼠的樹突棘總密度低，但其SP(t)值與對照組相比并無系統性差異（除一只小鼠外）。綜合這些發現，研究人員指出，5xFAD-M小鼠樹突棘密度的動態降低，并非由于形成減少而消除增加這種“失衡”導致，而是由于樹突棘的形成和消除兩個過程被“整體抑制”所致。就像一個城市的入口和出口都變窄了，雖然進出流量都變小了，但內部的“人口”（棘密度）依然在持續凈減少。

研究人員還特別關注了那些在整個觀察期內（超過21天）始終存在的“穩定”樹突棘。分析發現，在首次成像時觀察到的所有樹突棘中，能在整個觀察期內持續存在的“穩定棘”比例，在Thy1-EGFP小鼠中平均為34.9%，在5xFAD-M小鼠中平均為27.3%。盡管AD模型小鼠的這一比例數值上略低，但統計學分析表明兩組之間并無顯著差異。這提示，在疾病早期，那些已經建立并鞏固的突觸連接可能具有一定的韌性，而突觸網絡的損害更可能源于新連接形成能力的減弱和/或較新、較不穩定連接的過早丟失。

作為對疾病背景的確認，研究也報告了在體成像中的相關發現。在約6.5月齡的5xFAD-M小鼠中，研究人員在軀體感覺皮層觀察到了非常罕見的、具有致密核心和冠狀結構的“經典”淀粉樣斑塊。成像顯示，帶有樹突棘的樹突可以出現在斑塊附近。盡管以往研究指出靠近斑塊（<50微米）的樹突棘密度會嚴重受影響，但在本研究的長期動態觀察中，所分析的樹突片段與最近的大型斑塊距離均超過250微米，表明所觀察到的樹突棘密度廣泛降低并非由鄰近斑塊的局部毒性直接導致，更可能是反映了大腦皮層更廣泛的、與斑塊分布無關的早期突觸病理狀態。

這項研究通過創新的5xFAD-M雜交小鼠模型和長期在體雙光子成像技術，首次在單突觸水平上系統描繪了AD模型小鼠早期（4-6.5月齡）大腦皮層樹突棘丟失的動態過程。其核心結論是：在AD病理的早期階段，軀體感覺皮層錐體神經元的突觸后結構（樹突棘）已發生顯著且進行性的丟失；這種丟失的動力并非源于形成與消除的失衡，而是兩者同步受到抑制導致的整體突觸重塑活性下降；同時，已經建立的“穩定”突觸可能在一定程度上得以保留。

這項研究的意義重大。首先，它在技術層面展示了5xFAD-M雜交模型結合在體成像用于研究AD突觸動態的獨特優勢，為后續干預研究提供了強有力的工具。其次，研究結果將AD早期突觸病理的動態特征具體化為“整體抑制”模型，這挑戰了簡單的“丟失多于獲得”的失衡觀點，為理解疾病機制提供了新視角。這種整體的突觸可塑性下降，可能與早期出現的細胞內Aβ累積、鈣信號紊亂、線粒體功能障礙或神經炎癥等更上游的病理事件相關，為連接分子病理與環路功能障礙提供了關鍵線索。最后，該研究強調，在明顯的神經元死亡和廣泛斑塊沉積之前，突觸網絡的“活力”已然衰竭，這凸顯了以突觸保護和修復為目標的早期干預策略的極端重要性。這項研究不僅增進了我們對AD早期發病機制的理解，也為開發旨在恢復突觸可塑性的新療法奠定了重要的實驗基礎。