研究背景

本文基于爱丁堡大学（University of Edinburgh）团队在 Nature Communications 发表的研究。阿尔茨海默病（Alzheimer‘s disease, AD）是一种常见的神经退行性疾病，其典型病理特征包括淀粉样蛋白β（Aβ）沉积、Tau蛋白神经纤维缠结以及突触和神经元的逐步丢失。大量临床和基础研究表明，突触损失与认知功能下降呈高度相关性。然而，关于生理水平Aβ与病理性Aβ在活体人脑中的实时动态变化及其对突触功能的直接影响，仍缺乏系统研究。 传统模型（如啮齿动物、细胞系、iPSC衍生神经元等）难以完全再现人脑的复杂微环境和神经元多样性。活体人脑片培养（Human Brain Slice Cultures, HBSCs）为研究提供了直接来源于人类神经组织的实验平台，特别是结合脑片膜片钳和神经成像（超薄切片+宽场荧光，多光子共聚焦成像），可以在保留原位细胞结构的同时，高精度记录突触功能变化并可视化结构细节。

研究方法

该研究利用来自42例脑肿瘤切除术的无肿瘤浸润新皮质组织建立HBSC模型，并在培养7天（7 div）后开展多模态检测，包括：

• 脑片全细胞膜片钳（Whole-cell patch clamp on brain slices）：记录单个神经元的自发突触活动和对电流刺激的动作电位反应，评估突触功能状态；
• 神经成像（免疫荧光成像和分析）：标记MAP2、NeuN、GFAP、Synaptophysin等神经元及突触标志物，观察结构变化；
• 蛋白检测（ELISA、多重检测）：定量分析Aβ、Tau及其他AD相关生物标志物的释放；
• 药理学干预：双向调节内源性Aβ水平（BACE1抑制剂降低，Phosphoramidon升高）；
• 外源性病理性Aβ刺激：使用AD患者脑组织提取物，模拟病理性Aβ暴露。

人脑片培养和鉴定。a：展示了人脑片培养的整体流程，从脑肿瘤手术中获取切除的可用组织，到将脑片放置在培养皿中进行培养。b–g：培养 7 天（7 div）的人脑片免疫荧光成像，分别标记了 MAP2（b）、NeuN（c）、MAP2（洋红色）与 NeuN（黄色）合并（d）、Iba1（e）、P2RY12（f）和 GFAP（g）。白色箭头表示星形胶质细胞末端包绕在一个推测的血管周围（g）。比例尺为 50 μm，位于图像右下角。共筛查了 6 例样本的免疫组化标记。 h、i：培养 7 天脑片的电生理性质示例。h：对超极化和去极化电流注入的反应，在去极化电流下诱发动作电位。i：静息状态下的自发突触活动特征，显示小幅和大幅协调的突触驱动。共 5 例样本用于电生理记录。

核心发现

1. 供体特征影响Aβ/Tau释放：Aβ1-40水平随年龄增加呈下降趋势，而Aβ1-42水平不随年龄变化；颞叶样本释放的Tau高于额叶，符合Tau病理在AD早期的区域易感性；男性样本的NCAM-1和TDP-43水平高于女性；APOE基因型与Aβ水平无显著关系，但影响KLK-6释放。

2. 调节内源性Aβ水平对突触前结构的影响：BACE1抑制剂可显著降低Aβ1-40和Aβ1-42水平；Phosphoramidon显著升高两者水平；无论Aβ升高还是降低，突触前Synaptophysin斑点密度均减少（神经成像检测）；生理Aβ升高可诱导突触基因（SYP、SYT1、SNAP25）上调，提示可能存在补偿反应；降低Aβ则未见补偿。

3. 外源性病理性Aβ的作用特点：病理性Aβ优先结合于突触后结构（PSD95阳性），但引起突触前标志物Synaptophysin减少；与内源性Aβ升高不同，病理性Aβ未引发突触基因的补偿性转录变化；膜片钳结合成像可直接关联结构损失与功能改变的关系。

4. 自发性AD病理在脑片中的保持：约17%样本存在Aβ斑块，近三分之一有Tau病理；老年供体病理检出率更高；这些结构在培养过程中可稳定保持，并可通过成像技术实时观察。

结论与启示

该研究首次在活体人脑片上系统比较了生理与病理性Aβ对突触结构与功能的差异作用。结果提示：

Aβ水平的微小波动即可影响突触前结构稳定性；

生理Aβ升高与病理Aβ在转录响应和功能后果上存在本质不同；

脑片膜片钳与神经成像结合，是评估神经退行性病变早期突触变化的高效策略。

对于AD等中枢神经疾病的基础研究与新药开发，脑片膜片钳可用于精确量化功能变化，神经成像可直观呈现结构损失与修复，为临床转化提供坚实数据支持。

文献来源：McGeachan, R.I., Meftah, S., Taylor, L.W. et al. Divergent actions of physiological and pathological amyloid-β on synapses in live human brain slice cultures. Nature Communications (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58879-z