山东大学陈哲宇团队发现恐惧记忆擦除中记忆印迹细胞的编码机制

山东大学陈哲宇团队发现恐惧记忆擦除中记忆印迹细胞的编码机制

作者:RWD
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本论文第一作者为山东大学基础医学院2019级博士研究生滕帅文,山东大学基础医学院陈哲宇教授为本文通讯作者,山东大学基础医学院硕士研究生王鑫荣,杜博文,陈晓琳等也参与此研究。

该研究得到了科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目(2021ZD0202804),国家自然科学基金面上项目(no. 32171029),山东省自然科学基金委重大项目(no. ZR2020ZD17)的支持。

记忆是一个古老的谜题,一直是神经科学家们探索的热点。记忆是如何储存和提取的?我们都想留住美好的回忆,忘掉痛苦的经历,那记忆又是如何忘却的?

早在1904年,德国生物学家Richard Semon(理查德·西蒙)就将“engram”即印迹一词引入来描述记忆储存和提取背后的神经基础(1)。

西蒙提出:经历的事件会激活一群神经元产生化学或物理的变化,这些变化成为记忆印迹,产生记忆印迹的细胞即为记忆印迹细胞(engram cell);随后部分线索可以再激活记忆印迹细胞从而引发记忆提取。

之后加拿大的心理学家Donald O. Hebb(唐纳德·赫布)提出细胞集结理论(cell assembly theory),他认为被同一个事件激活的有内在联系的细胞会形成细胞集结(cell assembly),并且细胞集结之间的突触联系强度会增强(2)。

基于这两个理论我们对记忆产生和存储的神经基础有了进一步的认识:

记忆信息的编码和存储依赖于记忆形成时神经元的共同激活。

记忆形成时,外界刺激会引起大脑中的一部分神经元共同放电,这群神经元激活后启动相关信号通路和基因表达的改变,导致这群神经元发生持久的生物学改变,包括突触连接和表观遗传修饰的变化,记忆信息就存储在这群神经元形成的网络中;当这群神经元再次共同激活时,记忆就会被提取出来,这群组成记忆网络的神经元被称为记忆印迹细胞。

目前已经已有Tonegawa为代表的多个实验室通过印迹细胞标记和光遗传操控的方法证明记忆储存在印迹细胞中,他们发现在记忆提取时印迹细胞会再次激活,且人为激活或者抑制这群印迹细胞可以直接引发记忆或者抑制记忆表达,证明恐惧记忆存在于印迹细胞中(3, 4)。

记忆印迹细胞的理论已成为目前记忆领域比较公认的理论,然而对于正在遭受恐慌症(panic disorder)和创伤后应激障碍(posttraumatic stress disorder,  PTSD)等疾病的患者而言,如何忘掉痛苦的记忆可能更为重要,但是如何擦除掉这些痛苦记忆,记忆印迹细胞在记忆擦除中发挥了怎样的作用?记忆擦除到底是新记忆的形成还是对原有记忆的抑制?这些问题目前仍不清楚。

2023年6月7日山东大学陈哲宇教授研究团队在《Science Advances》杂志发表题为“Altered fear engram encoding underlying conditioned versus unconditioned stimulus initiated memory updating”的研究论文。

该研究探索了条件性刺激和非条件性刺激介导记忆擦除过程中记忆印迹细胞的编码机制,发现在记忆擦除过程中fear cell和extinction cell的overlapping ensemble增多,以及在记忆擦除前后原有印迹细胞编码信息的改变,这对于理解记忆的本质以及相关精神疾病的治疗提供了新的理解。

研究者首先利用c-Fos染色结合TetTag转基因小鼠对条件性刺激提取后再消退的记忆擦除范式中再激活的印迹细胞进行了标记,他们发现PrL脑区和BLA脑区的记忆印迹细胞在擦除过程中表现出再激活水平升高,提示PrL和BLA脑区的印迹细胞可能在条件性刺激介导的记忆擦除过程中发挥作用。


BLA和PrL脑区印迹细胞在擦除中再激活增高

图1.BLA和PrL脑区印迹细胞在擦除中再激活增高

其次,研究者通过光遗传学对BLA脑区和PrL脑区的印迹细胞进行了操控,他们发现抑制PrL而不是BLA脑区的印迹细胞对于记忆擦除是必要的,然而在记忆消退前30 min人为激活BLA脑区或者PrL脑区的印迹细胞都可以导致记忆擦除。

通过在一只小鼠身上同时操控BLA和PrL脑区印迹细胞的实验证明了PrL脑区记忆印迹细胞的激活在条件性刺激介导的记忆擦除中是关键的。

PrL脑区印迹细胞的激活对于记忆擦除是必要的PrL脑区印迹细胞的激活对于记忆擦除是必要的

图2.PrL脑区印迹细胞的激活对于记忆擦除是必要的

接下来研究人员利用神经环路结构追踪和c-Fos染色的方法发现了PrL脑区中extinction cell的存在,进一步利用单细胞水平的钙成像技术对PrL和BLA脑区在条件性刺激介导记忆擦除过程中fear cell和extinction cell的相互关系进行了研究。

他们发现与记忆消退比,PrL脑区在记忆擦除中fear cell和extinction cell的矢量距离更近,且存在增多的overlapping ensembles,然而在BLA脑区并没有这种情况。这些结果提示PrL脑区fear cell和extinction cell的相互作用可能是条件性刺激介导记忆擦除的关键机制。

条件刺激介导记忆擦除中PrL脑区和BLA脑区fear cell和extinction cell的矢量距离和共标

图3.条件刺激介导记忆擦除中PrL脑区和BLA脑区fear cell和extinction cell的矢量距离和共标

此外,与条件性刺激提取再消退记忆擦除只能擦除被提取的记忆不同,非条件性刺激提取再消退的范式可以擦除所有与这个非条件性偶联的记忆。

研究者进一步利用非条件性刺激提取再消退的记忆擦除范式对PrL和BLA脑区fear cell和extinction cell的相互关系进行了研究。

他们发现与条件性刺激介导的记忆擦除相比,BLA脑区在非条件刺激介导的记忆擦除中不同记忆的fear cell和extinction cell的矢量距离都变小且overlapping ensemble增多,而PrL脑区则没有这种情况。

这些结果提示BLA脑区fear cell和extinction cell的相互作用可能是非条件性刺激介导记忆擦除的关键机制。


非条件刺激介导记忆擦除中BLA脑区fear cell和extinction cell的矢量距离和共标

图4.非条件刺激介导记忆擦除中BLA脑区fear cell和extinction cell的矢量距离和共标

最后研究者对条件性刺激和非条件性刺激介导记忆擦除前后PrL脑区和BLA脑区印迹细胞的功能进行了研究。

在记忆擦除前后分别激活PrL脑区和BLA脑区的印迹细胞发现,在条件性刺激介导记忆擦除中PrL脑区印迹细胞由编码恐惧记忆变为编码安全记忆,而BLA脑区印迹细胞在条件性刺激介导记忆擦除前后编码信息没有改变,但是在非条件性刺激介导记忆擦除中BLA脑区印迹细胞发生了由编码恐惧记忆变为编码安全记忆的改变。

PrL脑区engram cell的编码信息在CS介导记忆擦除中改变

图5.PrL脑区engram cell的编码信息在CS介导记忆擦除中改变

综上所述,本研究为记忆存储在印迹细胞特定联系中提供了生理学和功能上的证据。记忆擦除导致了原有记忆的更新,改变了印迹细胞的编码信息,而记忆消退只是印迹细胞的激活被抑制而并没有改变其编码信息。

相同的一群印迹细胞在记忆擦除前后可以编码不同的功能说明记忆并不是简单存储在某群细胞中,而细胞之间特定的联系模式可能是记忆存储的关键。

本研究提示编码不同记忆的细胞集群在时间和空间上的矢量距离可能是决定原有记忆能否被更新的关键。在记忆擦除中fear cell和extinction cell之间由于条件性或者非条件性刺激提取导致它们在PrL或者BLA脑区的矢量距离减小,从而导致记忆印迹细胞编码信息更新可能是记忆擦除的关键。

本研究为我们理解细胞编码价值如何转变提供了新的理解,也为遭受恐惧记忆折磨病人的行为干预提供了新思路。

PrL和BLA脑区印迹细胞在记忆擦除中的细胞编码机制模式图

图6.PrL和BLA脑区印迹细胞在记忆擦除中的细胞编码机制模式图

参考文献:

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).

研究方法亮点

这项工作揭示了恐惧记忆擦除过程中PrL脑区和BLA脑区记忆印迹细胞的编码机制。研究用到了脑立体定位注射、条件恐惧记忆造模与行为评估、光遗传、在体单细胞水平钙成像以及免疫组化等实验技术。瑞沃德深耕生命科学研究领域21年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务。在该研究中,研究人员采用了瑞沃德公司生产的麻醉机和脑立体定位注射系统,为实验的顺利开展提供了支持。此外,瑞沃德还可提供的该研究所涉及的行为学造模与评估、神经信号调控与检测以及组织病理检测等实验的完整解决方案。截止目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外 100 多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章14500+,获得行业广泛认可。
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