時(shí)間：2023-06-30 熱度：

記憶是一個(gè)古老的謎題，一直是神經(jīng)科學(xué)家們探索的熱點(diǎn)。記憶是如何儲(chǔ)存和提取的？九游會(huì)j9都想留住美好的回憶，忘掉痛苦的經(jīng)歷，那記憶又是如何忘卻的？

 

早在1904年，德國生物學(xué)家Richard Semon（理查德×西蒙）就將“engram”即印跡一詞引入來描述記憶儲(chǔ)存和提取背后的神經(jīng)基礎(chǔ)(1)。西蒙提出：經(jīng)歷的事件會(huì)激活一群神經(jīng)元產(chǎn)生化學(xué)或物理的變化，這些變化成為記憶印跡，產(chǎn)生記憶印跡的細(xì)胞即為記憶印跡細(xì)胞（engram cell）；隨后部分線索可以再激活記憶印跡細(xì)胞從而引發(fā)記憶提取。之后加拿大的心理學(xué)家Donald O. Hebb（唐納德×赫布）提出細(xì)胞集結(jié)理論（cell assembly theory），他認(rèn)為被同一個(gè)事件激活的有內(nèi)在聯(lián)系的細(xì)胞會(huì)形成細(xì)胞集結(jié)（cell assembly），并且細(xì)胞集結(jié)之間的突觸聯(lián)系強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)(2)?；谶@兩個(gè)理論九游會(huì)j9對記憶產(chǎn)生和存儲(chǔ)的神經(jīng)基礎(chǔ)有了進(jìn)一步的認(rèn)識：記憶信息的編碼和存儲(chǔ)依賴于記憶形成時(shí)神經(jīng)元的共同激活。

 

記憶形成時(shí)，外界刺激會(huì)引起大腦中的一部分神經(jīng)元共同放電，這群神經(jīng)元激活后啟動(dòng)相關(guān)信號通路和基因表達(dá)的改變，導(dǎo)致這群神經(jīng)元發(fā)生持久的生物學(xué)改變，包括突觸連接和表觀遺傳修飾的變化，記憶信息就存儲(chǔ)在這群神經(jīng)元形成的網(wǎng)絡(luò)中；當(dāng)這群神經(jīng)元再次共同激活時(shí)，記憶就會(huì)被提取出來，這群組成記憶網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元被稱為記憶印跡細(xì)胞（engram cells）。

 

目前已經(jīng)已有Tonegawa為代表的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室通過印跡細(xì)胞標(biāo)記和光遺傳操控的方法證明記憶儲(chǔ)存在印跡細(xì)胞中，他們發(fā)現(xiàn)在記憶提取時(shí)印跡細(xì)胞會(huì)再次激活，且人為激活或者抑制這群印跡細(xì)胞可以直接引發(fā)記憶或者抑制記憶表達(dá)，證明恐懼記憶存在于印跡細(xì)胞中(3, 4)。

 

記憶印跡細(xì)胞的理論已成為目前記憶領(lǐng)域比較公認(rèn)的理論，然而對于正在遭受恐慌癥（panic disorder）和創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（posttraumatic stress disorder, PTSD）等疾病的患者而言，如何忘掉痛苦的記憶可能更為重要，但是如何擦除掉這些痛苦記憶，記憶印跡細(xì)胞在記憶擦除中發(fā)揮了怎樣的作用？記憶擦除到底是新記憶的形成還是對原有記憶的抑制？這些問題目前仍不清楚。

 

2023年6月7日山東大學(xué)陳哲宇教授研究團(tuán)隊(duì)在Science Advances雜志發(fā)表題為Altered fear engram encoding underlying conditioned versus unconditioned stimulus initiated memory updating的研究論文，探索了條件性刺激和非條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除過程中記憶印跡細(xì)胞的編碼機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在記憶擦除過程中fear cell和extinction cell的overlapping ensemble增多，以及在記憶擦除前后原有印跡細(xì)胞編碼信息的改變，這對于理解記憶的本質(zhì)以及相關(guān)精神疾病的治療提供了新的理解。

 

 

研究者首先利用c-Fos染色結(jié)合TetTag轉(zhuǎn)基因小鼠對條件性刺激提取后再消退的記憶擦除范式中再激活的印跡細(xì)胞進(jìn)行了標(biāo)記，他們發(fā)現(xiàn)PrL腦區(qū)和BLA腦區(qū)的記憶印跡細(xì)胞在擦除過程中表現(xiàn)出再激活水平升高，提示PrL和BLA腦區(qū)的印跡細(xì)胞可能在條件性刺激介導(dǎo)的記憶擦除過程中發(fā)揮作用。

 

圖1 BLA和PrL腦區(qū)印跡細(xì)胞在擦除中再激活增高

 

其次，研究者引入c-Fos標(biāo)記體系和Tet-Off系統(tǒng)，借助光遺傳學(xué)對BLA腦區(qū)和PrL腦區(qū)的印跡細(xì)胞進(jìn)行了操控，他們發(fā)現(xiàn)抑制PrL而不是BLA腦區(qū)的印跡細(xì)胞對于記憶擦除是必要的，然而在記憶消退前30 min人為激活BLA腦區(qū)或者PrL腦區(qū)的印跡細(xì)胞都可以導(dǎo)致記憶擦除。通過在一只小鼠身上同時(shí)操控BLA和PrL腦區(qū)印跡細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)證明了PrL腦區(qū)記憶印跡細(xì)胞的激活在條件性刺激介導(dǎo)的記憶擦除中是關(guān)鍵的。

 

在此系統(tǒng)中，eNpHR3.0或ChR2等光遺傳元件的表達(dá)需要tTA和TRE啟動(dòng)子結(jié)合，但當(dāng)給予動(dòng)物強(qiáng)力霉素（Dox）后，tTA和Dox結(jié)合的復(fù)合體不能和TRE結(jié)合，導(dǎo)致目的基因不表達(dá)。因此，只有在停止給予Dox，并進(jìn)行聽覺恐懼條件行為學(xué)范式（AFC），將光遺傳元件特異表達(dá)在被激活的神經(jīng)元上。

 

圖2 PrL腦區(qū)印跡細(xì)胞的激活對于記憶擦除是必要的

 

接下來研究人員利用神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)追蹤和c-Fos染色的方法發(fā)現(xiàn)了PrL腦區(qū)中extinction cell的存在，進(jìn)一步利用單細(xì)胞水平的鈣成像技術(shù)對PrL和BLA腦區(qū)在條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除過程中fear cell和extinction cell的相互關(guān)系進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)與記憶消退比，PrL腦區(qū)在記憶擦除中fear cell和extinction cell的矢量距離更近，且存在增多的overlapping ensembles，然而在BLA腦區(qū)并沒有這種情況。這些結(jié)果提示PrL腦區(qū)fear cell和extinction cell的相互作用可能是條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除的關(guān)鍵機(jī)制。

 

圖3 條件刺激介導(dǎo)記憶擦除中PrL腦區(qū)和BLA腦區(qū)fear cell和extinction cell的矢量距離和共標(biāo)

 

此外，與條件性刺激提取再消退記憶擦除只能擦除被提取的記憶不同，非條件性刺激提取再消退的范式可以擦除所有與這個(gè)非條件性偶聯(lián)的記憶。

 

研究者進(jìn)一步利用非條件性刺激提取再消退的記憶擦除范式對PrL和BLA腦區(qū)fear cell和extinction cell的相互關(guān)系進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)與條件性刺激介導(dǎo)的記憶擦除相比，BLA腦區(qū)在非條件刺激介導(dǎo)的記憶擦除中不同記憶的fear cell和extinction cell的矢量距離都變小且overlapping ensemble增多，而PrL腦區(qū)則沒有這種情況。這些結(jié)果提示BLA腦區(qū)fear cell和extinction cell的相互作用可能是非條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除的關(guān)鍵機(jī)制。

 

圖4 非條件刺激介導(dǎo)記憶擦除中BLA腦區(qū)fear cell和extinction cell的矢量距離和共標(biāo)

 

最后研究者對條件性刺激和非條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除前后PrL腦區(qū)和BLA腦區(qū)印跡細(xì)胞的功能進(jìn)行了研究。在記憶擦除前后分別激活PrL腦區(qū)和BLA腦區(qū)的印跡細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，在條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除中PrL腦區(qū)印跡細(xì)胞由編碼恐懼記憶變?yōu)榫幋a安全記憶，而BLA腦區(qū)印跡細(xì)胞在條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除前后編碼信息沒有改變，但是在非條件性刺激介導(dǎo)記憶擦除中BLA腦區(qū)印跡細(xì)胞發(fā)生了由編碼恐懼記憶變?yōu)榫幋a安全記憶的改變。

 

圖5 PrL腦區(qū)engram cell的編碼信息在CS介導(dǎo)記憶擦除中改變

 

 

總結(jié)和展望

綜上所述，本研究為記憶存儲(chǔ)在印跡細(xì)胞特定聯(lián)系中提供了生理學(xué)和功能上的證據(jù)。記憶擦除導(dǎo)致了原有記憶的更新，改變了印跡細(xì)胞的編碼信息，而記憶消退只是印跡細(xì)胞的激活被抑制而并沒有改變其編碼信息。相同的一群印跡細(xì)胞在記憶擦除前后可以編碼不同的功能說明記憶并不是簡單存儲(chǔ)在某群細(xì)胞中，而細(xì)胞之間特定的聯(lián)系模式可能是記憶存儲(chǔ)的關(guān)鍵。

 

本研究提示編碼不同記憶的細(xì)胞集群在時(shí)間和空間上的矢量距離可能是決定原有記憶能否被更新的關(guān)鍵。在記憶擦除中fear cell和extinction cell之間由于條件性或者非條件性刺激提取導(dǎo)致它們在PrL或者BLA腦區(qū)的矢量距離減。傭賈錄且溆〖Ｏ赴嗦胄畔⒏驢贍蓯羌且洳臉墓丶。本研究為九游會(huì)j9理解細(xì)胞編碼價(jià)值如何轉(zhuǎn)變提供了新的理解，也為遭受恐懼記憶折磨病人的行為干預(yù)提供了新思路。

 

圖6 PrL和BLA腦區(qū)印跡細(xì)胞在記憶擦除中的細(xì)胞編碼機(jī)制模式圖

 

本論文第一作者為山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2019級博士研究生滕帥文，山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院陳哲宇教授為本文通訊作者，山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院碩士研究生王鑫榮，杜博文，陳曉琳等也參與此研究。該研究得到了科技創(chuàng)新2030-腦科學(xué)與類腦研究重大項(xiàng)目（2021ZD0202804），國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(no. 32171029)，山東省自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目（no. ZR2020ZD17）的支持。

 

九游會(huì)j9助力

九游會(huì)j9生物有幸為研究者提供實(shí)驗(yàn)中使用的AAV載體，以實(shí)際行動(dòng)助力神經(jīng)科學(xué)研究！

借助即刻早基因c-Fos標(biāo)記技術(shù)和Tet系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)記活動(dòng)相關(guān)細(xì)胞集群，并對這群細(xì)胞進(jìn)行特定時(shí)間的基因調(diào)控或生理操作。這套巧妙的設(shè)計(jì)為活動(dòng)相關(guān)細(xì)胞集群的研究提供了思路，也被多個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家廣泛應(yīng)用。

  

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf0284

 

 參考文獻(xiàn) 
1. F. Mott, The Mnemic Principle Applied to Biology and Psychology. Br Med J 1, 336-338 (1923).
2. C. J. Shatz, The developing brain. Sci Am 267, 60-67 (1992).
3. X. Liu et al., Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall. Nature 484, 381-385 (2012).
4. T. Kitamura et al., Engrams and circuits crucial for systems consolidation of a memory. Science 356, 73-78 (2017).

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