情境記憶(contextual memories)的獲取需要海馬回路的工作。一旦獲得,在系統水平記憶鞏固期間,情境記憶在新皮質中逐漸成熟為穩定的形式。标準鞏固模型提出,情境記憶的長期存儲可能涉及新皮質回路中持久的突觸變化,從而使遠程記憶回憶較少依賴于海馬。然而,遠程情境記憶的突觸特異性底物尚未被識别。
前額葉皮層(PFC)中記憶印記神經元在學習過程中快速生成,随着時間的推移逐漸成熟,并在遠程記憶召回過程中重新激活。但PFC印記神經元如何在突觸水平上促進遠程記憶鞏固仍不清楚。
近日,美國加利福尼亞大學河濱分校Jun-Hyeong Cho團隊在Nature Neuroscience上發表研究,證明了遠程情境恐懼記憶的鞏固與前額葉皮層(PFC)中印記神經元之間的興奮性聯系的逐步加強相關,前額葉皮層神經元在學習過程中活躍,在遠程記憶召回過程中重新激活,而遠程記憶消散削弱了這些突觸聯系。
研究人員使用雜合Fos-iCreERT2小鼠來标記在情境恐懼調節(CFC)期間招募的神經元。同時,CFC期間活躍的神經元在c-Fos啟動子的控制下表達iCreERT2,這在4-OHT存在下誘導LoxP-STOP-LoxP序列的重組,導緻tdTomato(tdT)表達[Fig.1a,b]。CFC後四周,小鼠在情境A中表現出強烈的freezing行為,對遠程記憶召回期間活躍的神經元進行c-Fos免疫标記。
在mPFC的分區PL和基底外側杏仁核(BLA)中,CFC組中所有tdT 神經元中的tdT 細胞密度和c-Fos 比例均高于HC組,而c-Fos 細胞密度在各組之間沒有差異。這些結果表明,CFC招募了mPFC/PL和BLA神經元,這些神經元在遠程記憶回憶過程中比HC中活躍的神經元更有可能重新激活。
Figure 1 活性依賴性标記識别了mPFC印記神經元,其再激活導緻記憶召回
mPFC印記環路的CREB依賴性強化
因為CREB對神經元可塑性至關重要,CREB抑制可能阻斷mPFC印記環路的增強,從而阻斷系統鞏固。研究人員在CFC後使用突變CREB(S133A)或MutCREB10抑制mPFC印記神經元中的CREB,結果發現突觸後mPFC神經元中MutCREB的表達阻止了mPFC印記環路的增強[Fig.2c,d]。
同時,CFC後mPFC印記神經元中MutCREB的過表達也抑制了遠程記憶召回[Fig.2e,f],表明CREB在遠程記憶鞏固和/或召回中的關鍵作用。
Figure 2 mPFC印記環路的加強需要CREB
mPFC中印記細胞的成熟需要海馬齒狀回的活動
接下來,對CFC期間活躍的DG印記神經元進行了基因消融,并檢查了這如何影響遠程記憶召回期間mPFC印記神經元的再激活以及mPFC印記環路的增強。利用病毒策略在DG印記神經元表達tdT和taCasp3-TEVp,并經曆taCaspase-3介導的細胞死亡,導緻DG印記神經元的在CFC 28天後有效消融。
結果發現,CFC 28天後Casp3 組的小鼠表現出比無Caspase3(Casp3−)對照組的小鼠少得多的恐懼行為[Fig.3a-d]。在mPFC/PL和BLA中,Casp3 組中所有tdT 印記神經元中c-Fos 神經元的比例顯著低于Casp3-組[Fig.3e,f],這表明當DG印記神經元被消融時,在遠程記憶召回期間印記神經元的再激活減少。
Figure 3 學習後DG印記神經元的消融抑制了記憶召回期間mPFC印記神經元的再激活
用于遠程恐懼記憶召回的mPFC-BLA印記回路
mPFC印記神經元如何激活BLA印記神經元以誘導遠程恐懼記憶召回。在mPFC印記神經元表達ChR2 -eYFP,BLA印記神經元表達tdT[Fig.4a-c]。通過電生理檢測突觸變化,發現mPFC印記神經元可以在遠程恐懼記憶召回期間有效地重新激活BLA印記神經元[Fig.4d,e]。
Figure 4 mPFC印記神經元在遠程恐懼記憶召回期間通過直接和間接途徑連接到BLA印記神經元
mPFC印記神經元和召回神經元之間的強連接
在遠程記憶召回期間,重新激活的mPFC印記神經元可能會招募在CFC期間不活躍的其他mPFC神經元,稱為“mPFC召回神經元”。通過ChR2 神經元代表mPFC印記神經元,而tdT /ChR2-神經元代表mPFC召回神經元,ChR2 神經元輸入的光刺激在tdT /ChR2– mPFC神經元中誘導谷氨酸能和單突觸EPSCs[Fig.8e],表明mPFC召回神經元接受了mPFC印記神經元的興奮性輸入。
同時,mPFC召回神經元比其他神經元接收到更強的mPFC印記神經元的輸入[Fig.8f,g]。因此,在遠程記憶召回期間,重新激活的mPFC印記神經元可以有效地招募mPFC召回神經元[Fig.8h]。
Figure 5 在初始學習期間活躍的mPFC神經元與遠程記憶召回期間招募的mPFC神經強烈連接
結 論
在本研究中,研究人員證明了遠程情境記憶的長期存儲涉及mPFC印記神經元之間興奮性連接的累積性和突觸特異性增強,強調了持續的海馬活動在mPFC印記神經元成熟中的作用。
此外,mPFC印記環路的增強還可以促進mPFC印記神經元的同步活動,用于遠程記憶召回。總之,這篇研究報道了遠程情境記憶在新皮質中鞏固的新機制。
參考文獻:
Lee, Ji-Hye et al. “Neocortical synaptic engrams for remote contextual memories.” Nature neuroscience, 10.1038/s41593-022-01223-1. 23 Dec. 2022, doi:10.1038/s41593-022-01223-1
編譯作者:Young(brainnews創作團隊)
校審:Simon(brainnews編輯部)
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