前额叶皮层（Prefrontal cortex，PFC）是大脑中的“认知功能中心”。与PFC相关的短期记忆受损和执行能力的破坏在神经精神病学疾病中非常普遍，如精神分裂症和自闭症^[1]。这类疾病的发生与许多基因的突变以及环境风险因素相关，其中许多基因和环境风险因素都参与调节大脑发育的过程^[2]，且有研究发现在精神分裂症和自闭症模型小鼠的前额叶脑区节律性神经网络活动受损^[3]。因此有假说认为：不正常的神经系统发育会导致神经网络功能紊乱，最终导致认知功能受损^[4]。

2021年4月21日，来自德国汉堡大学医院的Ileana L. Hanganu-Opatz教授团队在Neuron发表了题为《A transient developmental increase in prefrontal activity alters network maturation and causes cognitive dysfunction in adult mice》的工作，揭示了发育期前额叶皮层神经元异常电活动引起成年小鼠认知缺陷的现象^[5]。

为了探索早期电活动对成年前额叶功能的影响，研究者们将E15.5的孕鼠麻醉后暴露其子宫角，并将25ml纯化后的带有红色荧光信号的荧光编码质粒pAAV-CAG-ChR2(E123T/T159C)-2A-tDimer2 (RFP)和视蛋白通过玻璃毛细血管注射到每个胚胎的右侧脑室中（质粒浓度1.25mg/ml），使mPFC区L2/3的椎体神经元表达光敏蛋白ChR2，进而可以通过光遗传学的手段特异性操纵小鼠mPFC区L2/3的锥体神经元。

由于P7-P11是mPFC突触形成的关键时期，因此研究者们在P7-P11分别用473nm（激活锥体神经元）或594nm（不影响神经元电活动）的斜坡光刺激操纵神经元，其后再进行行为学、电生理、形态学的后续实验。结果显示，与593nm刺激的对照组相比，473nm的光刺激使mPFC神经元节律性beta波电活动增强。（图1）

图1: 473nm蓝光刺激可诱发PFC神经元电活动，594nm光刺激对PFC神经元电活动无影响

那么特异性增加发育期mPFC电活动究竟会对成年期小鼠产生什么影响呢？因此研究者们做了一系列的行为学实验，结果显示相对于对照组小鼠，经过早期刺激(early stimulation, ES)的小鼠在新物体识别实验中不能区分新物体和熟悉的物体，且ES组小鼠社交行为也明显下降。

在八臂迷宫实验中，ES小鼠也表现出了工作记忆缺陷，而且这种缺陷并不是由于小鼠的运动功能受损造成的。这些行为学实验证明了发育期PFC电活动的短期增强会导致PFC相关的短期记忆、工作记忆及社会行为受损。（图2）

图2:ES组小鼠八臂迷宫实验中表现出短期记忆和工作记忆受损，但运动功能不受影响

为什么ES组小鼠会表现出如此明显的认知功能受损呢？研究者们观察了ES组和对照组锥体神经元的形态，结果发现ES组锥体神经元的树突在光刺激后显著增多，在P23之后则和对照组树突数量相当。这些结果表明发育期mPFC神经元电活动增加与L2/3锥体神经元的提前成熟有关。（图3）

图3:ES组神经元树突增多变早，表明ES引起PFC L2/3锥体神经元树突提前成熟

为了验证在发育期神经元电活动短暂改变会通过影响PFC正常功能进而导致异常行为的假说，研究者们监测了对照组和ES组小鼠mPFC在整个发育过程中自发的神经元电活动。与对照组相比， P11-P12的ES小鼠mPFC 12-100Hz的快速振荡增高，这可能是由于L2/3 锥体神经元的树突过早生长引起的，但发育后期两组神经元的放电活动则回到了类似的水平。尽管自发的神经电活动不受ES的影响，但在社交行为的行为学实验中，ES组小鼠不像正常小鼠那样倾向于和同类小鼠互动交流，并且其mPFC 40-80Hz的电活动（Gamma神经振荡）也显著低于对照组，这说明ES组小鼠的认知功能明显受损。（图4）

另外，他们还以海马 -> mPFC的电信号传递通路为例观察了ES是否会影响正常的神经电信号传递。在P22时，分别向ES组和对照组小鼠的海马区注射带有黄色荧光标记的pAAV-CaMKIIa-hChR2(H134R)-eYFP，使海马区神经元表达光敏蛋白ChR2，并在给予光遗传学操纵时P38-P40分别观察mPFC和海马区的电活动。在473nm光刺激时，在ES组和对照组的海马区都观察到了gamma振荡，但ES组的mPFC中并没有观察到（图5）。这说明ES组小鼠的mPFC不能正常的接收来自其他脑区的神经投射。

图4:ES对自发电活动影响较小(A-D图)，但ES组mPFC与事件相关的gamma神经振荡明显低于对照组(E-G图)

图5: 激活海马区神经元时，ES组PFC区不能产生正常的gamma振荡

以上结果显示，在关键的PFC发育期增加神经元电活动导致mPFC的结构和功能发生变化，最终造成小鼠认知功能受损。同时这项工作也阐明了发育期神经电活动的改变对神经系统疾病认知障碍的重要性。

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