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2023年5月5日，来自多伦多大学心理学系的Paul W. Frankland团队在Science上发表“A shift in the mechanisms controlling hippocampal engram formation during brain maturation”，揭示了情景记忆系统从幼儿时期不完整状态到成年期完整状态转变的神经生物学机制。
情景记忆的核心特征是事件和周围的空间环境绑定，能与过去的特定场景连结的情感和关联的知识联系起来。形成精确的情景记忆的能力随着年龄的增长而发展，年幼的孩子只能形成缺乏精确性的类似要点的记忆。发育中的海马体中作为精确的、情景式记忆形成基础的细胞和分子事件尚不清楚。情景记忆系统在出生时不存在或不成熟，在儿童时期发育，直到5-8岁记忆精度提高之前，早期事件记忆都是不精确的。海马体成熟被认为是精确情景记忆出现的基础，但海马体发育过程中调节记忆精度的具体过程尚不清楚。本文研究提示在小鼠中，未成熟的海马体中缺乏竞争性神经元记忆痕迹分配过程，导致稀疏记忆痕迹和精确记忆无法形成，直到出生后第4周海马体中的抑制回路成熟。这种依赖于年龄的情景式记忆精度变化涉及CA1亚区中表达小清蛋白的中间神经元通过细胞外神经元网络的功能成熟，这对于竞争性神经元分配、稀疏印迹形成和记忆精度的开始是十分必要的。
图一 记忆精确度和稀疏记忆痕迹在产后第四周发展到背侧CA1 事件与其周围空间环境的结合是情景记忆的核心特征，可以使用空间或情境学习任务在动物身上进行研究。为了评估这种能力在小鼠发育过程中何时出现，作者在情境恐惧条件反射中训练了不同年龄的小鼠，并在24小时后在相同（情境 A）或不同（情境 B）测试设备中测试了它们的记忆力。较年轻的小鼠(P16-P20，出生16天到20天)表达了不精确的10个情境恐惧记忆，在训练情境A和新情境B中表现在同等水平。相比之下，年长的小鼠(≥P24)表达了情境特定的记忆。这种记忆精度的转变与大鼠的类似转变平行，与动物的性别或断奶状态无关，也不依赖于先前的情境经验、学习率的潜在年龄依赖性差异或感知区分情境的能力。幼年小鼠的记忆不精确与训练和测试环境之间的相似性成比例。在相关的厌恶情境学习任务（抑制性回避）和以欲望为动机的空间觅食任务中，出生20-24天的鼠之间也发生了记忆精度的变化。运用c-fos对海马脑区的记忆印迹进行标记，发现幼年小鼠经情景型恐惧训练后出现密集的记忆印迹，而成年小鼠表现出稀疏的记忆印迹。
图二 背侧CA1中的印迹稀疏性控制幼年和成年小鼠的记忆精度 为了测试印迹大小和记忆精度之间是否存在因果关系，作者使用化学遗传学抑制幼年小鼠记忆印迹的形成，发现能提高幼年小鼠记忆的精确性。C21处理减少c-Fos表达，并且这些幼年小鼠早熟地表现出类似成人的记忆精度。相反，在成年小鼠中人为地扩大印迹是否会导致类似幼年的记忆不精确。C21治疗增加了训练诱导的c-Fos表达，并且这些成年小鼠表现出幼年样记忆不精确。因此，在发育中的记忆回路中因过度活跃而延迟出现类似成人的记忆功能可能是跨动物物种个体发育的核心特征。
图三 CA1中不成熟的神经元分配机制排除在早期发育过程中将记忆定位到稀疏记忆痕迹 年轻和年老小鼠之间印迹稀疏性的这种差异表明记忆形成的机制在发育过程中存在差异。在成年动物中，根据记忆形成时的相对神经元兴奋性或活动，将符合条件的神经元分配给稀疏印迹。为了保持印迹稀疏性，不仅具有相对较高兴奋性的神经元包含在印迹中，而且具有相对较低兴奋性的神经元通过侧抑制从印迹中排除。为了探究神经元分配如何在整个发育过程中发生变化。将复制缺陷型单纯疱疹病毒 (HSV) 注入背侧CA1以感染具有蓝光敏感的兴奋性视蛋白和红光敏感的抑制性视蛋白的稀疏随机神经元群。无论小鼠年龄如何，光遗传学介导的分配都是有效的。在第二组小鼠中，作者重复了相同的分配程序，然后通过在记忆测试期间沉默NpACY+神经元来探测受感染的神经元是否是后续记忆表达所必需的，沉默NpACY+神经元会损害分配组（而非对照组、非分配组）中P24和60天小鼠的恐惧回忆。沉默的NpACY+神经元会损害幼年组的恐惧回忆，表明CA1印迹定位于P20小鼠中稀疏的NpACY+神经元群。成年小鼠中，印迹的化学遗传学扩展诱导了幼年样神经元分配。沉默分配的NpACY+神经元不再损害成人组的恐惧记忆回忆。
图四 竞争性神经元分配、稀疏印迹形成和记忆精度需要成熟的CA1 PV+中间神经元功能 发育20天的小鼠中有更密集的记忆痕迹表明存在这样一种可能性，即成熟神经元分配过程的第二个组成部分，中间神经元将不太活跃或不活跃的神经元从记忆痕迹中排除在幼年小鼠中尚未完全发育。在CA1中，PV+中间神经元胚胎发育于内侧神经节隆起，导致这些细胞在小鼠出生后第三周达到成人样水平。在记忆印迹成熟的过程中，需要中间神经元抑制不活跃神经元将其从记忆印迹中驱除，而幼年小鼠可能由于PV抑制性神经元功能不完整，导致出现密集的记忆印迹。研究人员使用在PV-Cre成年小鼠的海马脑区注射化学遗传学抑制病毒，发现抑制PV神经元的活性后，成年小鼠出现密集的记忆印迹，并且损伤成年小鼠记忆的精确性。PV+中间神经元通过关闭关键期可塑性的瞬态窗口在皮质感觉系统的发育中发挥关键作用。这些实验表明CA1抑制性PV+神经元的成熟是产后第四周记忆发展的关键驱动因素。
图五 CA1 PNN和PV+中间神经元的成熟需要HAPLN1 在 CA1 中，雄性和雌性小鼠中都实现了PV+中间神经元周围类似成人的PNN水平。CA1 PNN密度未因情境恐惧条件反射而改变，这表明只有微观尺度的PNN改变是由记忆形成引起的。与CA1相比，PV中间神经元相关的PNN在DG和CA3中的16天之前达到成人水平。接下来测试了PNN成熟是否通过操纵成年和幼鼠CA1中的PNN完整性来控制记忆发育。HAPLN在交联和稳定CSPG-透明质酸相互作用中起着关键作用，Hapln1转录对应于皮质中成熟的PNN形成，且ΔHapln1在成年小鼠中的作用特定于情景样记忆形成。为了促进或干扰PNN的完整性，作者设计了病毒载体来过表达野生型 (AAV-Hapln1)、突变体 (AAV-ΔHapln1) 显性失活HAPLN1蛋白（不与CSPGs40结合）。HAPLN1靶向构建体的表达不影响成年小鼠背侧海马体中 PNN 蛋白的总内源性表达。然而，AAV-ΔHapln1表达减少了P60小鼠CA1 PNN的生长，从而降低了CA1锥体层中 PV+轴突的密度。相反，AAV-Hapln1表达加快了P20小鼠CA1 PNN的生长并增加了CA1锥体层中 PV+轴突的密度。
图六 竞争性神经元分配、稀疏印迹形成和记忆精度需要CA1 PNN的成熟 作者首先测试了使用AAV-ΔHapln1破坏成年小鼠CA1 PNN的稳定性是否会表现出幼年小鼠典型的致密印迹和记忆不精确的形成。在训练前表达AAV-ΔHapln1（但不表达对照蛋白或野生型Hapln1）的成年小鼠形成致密印迹（情境恐惧条件反射后的高比例c-Fos+神经元）和当人工分配的稀疏种群（HSV-NpACY）时的完整记忆-表达）神经元在测试期间被沉默。PNN在不同成年小鼠组中的不稳定性产生了不精确的情境恐惧和空间记忆。最后测试结果表明使用AAV-Hapln1加速PNN成熟足以产生稀疏印迹形成和精确上下文记忆的类似成人的记忆表型。 综上所述，该研究揭示了海马体记忆系统的成熟受与皮质感觉系统相同的细胞和分子机制的调节。记忆形成通过PNN依赖性机制改变了印迹神经元周围抑制的相对水平，抑制性神经回路的细胞外基质依赖性成熟可能是一种全脑机制不仅是感官发展，还有认知和情感发展。作者的研究结果将印迹稀疏性确定为记忆精度的关键机制。为什么海马体记忆系统的发育有多个功能成熟阶段？一种可能性是海马体发育涉及情景记忆系统从“不完整”（类似儿童）状态到“完整”（类似成人）状态的进展。另一种可能性是儿童的记忆功能完全适合他们的阶段的发展。在发育过程中海马脑区PNN逐渐成熟，成熟PNN通过包裹PV神经元提高PV神经元的活性，增强PV神经元对记忆印迹中不活跃神经元的抑制，进而提高情景型记忆的精确性。类似情节的记忆精度需要细胞外基质使海马抑制性中间神经元成熟。  https://www./doi/10.1126/science.ade6530 |
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