|
导读： 记忆印记是什么？ 记忆印记（Memory Engram）：20世纪初，德国科学家、记忆研究者和进化生物学家理查德·塞蒙（Richard Semon）第一次提出了记忆印记的概念。他认为一个经验/一段经历会激活大脑中一群稀疏的神经元，引起这部分神经元内的持久的化学或物理的改变，继而形成记忆。这群神经元被称为这一经验的“印记神经元”，这些神经元内的化学或物理变化被称为记忆印记。当我们处于记忆中的某个场景中，这群神经元会被重新激活，记忆也就被提取出来。  图1 理查德·塞蒙（Richard Semon） 在Richard Semon的有生之年，记忆印记理论并没有得到人们的重视。因为当时的实验技术无法标记记忆印记，也就无法验证该理论是否正确。随着近几年光遗传、药物遗传、转基因工具鼠、病毒标记等技术的发展，科学家们在该领域终于获得突破性进展，他们利用这些技术不仅证实了学习和记忆过程中“印记神经元”的存在，而且还能操纵这些“印记神经元”的活性改变记忆，甚至可以操纵这些神经元“产生”一个新的记忆[1]。 现在该领域仍然存在一些问题没有解决： 一个印记中的神经元的功能是不是异质性的？我们是否可以通过分子和细胞手段区分印记中不同的神经元集合？它们是否通过不同的突触和回路机制来调节记忆引导的适应行为?  1.简介   2020年4月16日，麻省理工麦戈文大脑研究所林映晞（YingXi Lin）团队在《Cell》杂志发表一篇名为“Functionally Distinct Neuronal Ensembles within the Memory Engram”的文章。 通过依赖Nsap4和依赖Fos的两套RAM报告系统标记出两群与恐惧记忆相关的印记神经元，他们发现： ①Fos标记的神经元群介导记忆的泛化，并接受来自内侧内嗅皮层的兴奋性突触输入。 ②Npas4标记的神经元群介导记忆的辨别，并接受来自表达胆囊收缩素CCK中间神经元的抑制性输入。 他们的研究提供了记忆印记内功能异质性的因果证据，并揭示了突触和环路调控记忆泛化-记忆辨别的平衡。   2.正文 1 依赖Fos和依赖Npas4的活动标记报告系统 作者采用F-RAM/N-RAM报告系统，结合Tet-off调控系统，实现了在特定的时间窗内标记Fos依赖或Npas4依赖的神经元。当给予强力霉素(Doxycycline，DOX)处理时，DOX会竞争性的与tTA结合，从而抑制下游报告基因的表达；而去除DOX后，tTA能与报告基因上游的TRE结合而启动报告基因的表达[2]。   体外实验：体外培养的神经元激活后Fos和Npas4均表达。  体内实验：①条件恐惧导致Fos和Npas4的表达。②分别敲除Fos和Npas4，发现F-RAM和N-RAM标记的神经元数量明显减少。 共同证明了F-RAM和N-RAM能够分别标记Fos和Npas4依赖的神经元群。 2 Fos和Npas4分别标记了记忆印记中的不同神经元。 Q:DG（海马齿状回）中F-RAM和N-RAM标记的神经元是否为不同的神经元群？ （1）利用全细胞膜片钳技术分别记录了这两群神经元的突触特性。条件恐惧之后： ①F-RAM标记的神经元与相邻未被标记的神经元相比，mEPSC的频率更高，这说明Fos 神经元接受兴奋性输入。 ②N-RAM标记的神经元与相邻未被标记的神经元相比， mIPSC的频率更高，这说明Npas4 神经元接受更多的抑制性输入， 这表明上述两群神经元具有不同的突触特征。 （2）运用Fos-CreER小鼠将表达内源Fos的神经元标记为绿色。同时在小鼠的DG区分别注射F-RAM/N-RAM-mKate2（mKate2，一种红色荧光蛋白）标记病毒。在条件恐惧记忆回想过程中： ①F-RAM 神经元（红色）与内源性的Fos-CREER 神经元（绿色）共定位比较明显； ②N-RAM （红色）与Fos-CREER 神经元（绿色）有较少的共定位。 这说明F-RAM和N-RAM标记的是两群不同的神经元。 3 在记忆提取时，Fos和Npas4标记的神经元群表现出不同的活动模式 Q：F-RAM 和 N-RAM标记的两群神经元的在条件恐惧记忆中的功能是否相同？ 行为范式：第一天先将小鼠放在环境A中对其进行了条件恐惧记忆的训练。第二天，分别将小鼠放到A环境，B环境（与A环境类似），C环境（与A环境完全不同）中检测小鼠在ABC不同环境中的恐惧水平。 结果发现： ①F-RAM标记的神经元对AB环境的反应没有差异，说明这群神经元编码记忆泛化。 ②N-RAM标记的神经元对ABC反应都不同，说明这群神经元编码记忆辨别。 ③光纤记录神经元的活动，可推测出同样的结果。 F-RAM 神经元群编码记忆泛化， N-RAM 神经元群编码记忆辨别。 4 Fos和Npas4标记的不同神经元群调控记忆泛化和辨别的平衡。 为了进一步验证神经元的功能，作者采用化学遗传的方法对神经元的活动进行调控，观察小鼠的行为变化。 作者将表达hM3Dq激活型/hM4Di抑制型的化学遗传病毒注射在DG区，使其在F-RAM或N-RAM标记的神经元中表达。在恐惧记忆回想时给予小鼠CNO处理，操控F-RAM或N-RAM标记的神经元活性，结果发现： ①抑制F-RAM神经元，记忆辨别能力增加。激活F-RAM，记忆辨别能力降低。记忆泛化能力增加。 ②抑制N-RAM，记忆辨别能力降低。激活N-RAM，记忆辨别能力不变（作者解释：被动驱动）。 以上结果表明F-RAM神经元群编码记忆泛化；N-RAM神经元群编码记忆辨别。 5 Fos 神经元群接收来自内侧内嗅皮层的兴奋性输入，Npas4 神经元接收来自CCK中间神经元的抑制性输入。 Q:这两群神经元的功能异质性是不是因为它们分别接受不同的环路输入？ 作者通过电生理实验对此假设加以论证。DG脑区接受来自外侧内嗅皮层（LEC）、内侧内嗅皮层（MEC）、齿状门（Hilus）的兴奋性投射，将刺激电极分别置于这三个脑区中，记录DG脑区F-RAM 神经元的电生理特性，发现： 只有在刺激MEC时F-RAM标记的神经元产生较强的兴奋性突触后电流。说明DG中F-RAM标记的神经元主要接受来自MEC的兴奋性输入。 在DG区的GABA能神经元中表达ChR2，然后给与不同功率的光刺激，发现： 激活GABA能神经元会能诱导N-RAM产生mIPSC，并且随着光刺激功率的增大N-RAM产生的mIPSC也增大，且N-RAM主要接受来自CCK神经元的抑制性输入。 6 神经元群的不同突触特性是由学习诱导产生的。 Q:前面的结果表明在同一记忆印记中存在F-RAM和N-RAM标记的两群神经元，它们有不同的突触特性，那么突触特性差异是神经元的内在属性还是通过学习获得的？ 作者在小鼠DG区注射能表达Fos和Npas4的病毒，发现人为的诱导fos和Npas4会分别导致突触后EPSC和IPSC的增加。这些结果表明，激活fos/Npas4依赖的通路足以诱导F-RAM 神经元和Ｎ-RAM 神经元的突触可塑性。 作者在小鼠条件恐惧记忆训练阶段，给予小鼠不同强度的足部刺激，发现： 电刺激越强小鼠产生的恐惧记忆越强，突触活性也越强。 这些结果表明：不同神经元群的突触特异性是由不同的活动依赖通路驱动的学习诱导的突触修饰的结果。 7 内侧内嗅皮层MEC的输入介导记忆泛化，CCK的输入介导记忆辨别。 Q:前面研究表明F-RAM及N-RAM标记的神经元接受不同的神经输入，这些输入的神经元对小鼠行为有没有影响？ MEC——F-RAM 输入： ① 化学遗传抑制MEC，记忆辨别能力增强，记忆泛化能力被抑制。 ② 光遗传抑制MEC，记忆辨别能力增强，记忆泛化能力被抑制。 说明MEC——F-RAM 通路参与记忆泛化。 CCK——N-RAM 输入： 化学遗传特异性的抑制输入到DG的CCK神经元，记忆辨别能力降低。 说明CCK——N-RAM 通路参与记忆辨别。 3.总结 该研究中，作者构建了Fos依赖的RAM（F-RAM）和Npas4依赖的RAM（N-RAM）报告系统，利用强力霉素Dox依赖的Tet-off系统对其表达进行调控，标记条件性恐惧记忆过程中小鼠海马齿状回DG区Fos 的印记神经元和Npas4 的印记神经元。进而利用光遗传和化学遗传特异操纵印记神经元的活性，结合行为学及电生理检测等建立这些细胞活性与相应神经元功能、动物行为的因果联系，证明这两群神经元在记忆泛化(generalization)与记忆辨别中（discrimination）存在差异，研究还鉴定出其中的突触和环路机制，从而为“记忆印记形成中存在功能各异的神经元集群”提供了关键因果证据。 参考文献： 1.https://zhuanlan.zhihu.com/p/136406829 2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/138649543
点小花花，让他们知道你“在看”我 |
|
|
来自： 昵称32772025 > 《脑神经科学》
