【Nat Neurosci】研究揭示记忆巩固过程中出现的动态和选择性印迹

想想你在短时间内有两种不同但相似的经历。也许你在同一周内参加了两个节日聚会,或者在工作中做了两次演讲。不久之后,你可能会发现自己混淆了这两次经历,但随着时间的推移,这种混淆逐渐消失,你能够更好地区分这些不同的经历。

一项新研究揭示,这一过程发生在细胞水平上,这一发现对理解和治疗阿尔茨海默病等记忆障碍至关重要。研究结果近日发表在《Nature Neuroscience》杂志上,论文题目:“Dynamic and selective engrams emerge with memory consolidation”。这篇论文的合著者来自伦敦帝国理工学院、奥地利科学技术研究所的Douglas,麻省理工学院麦戈文脑研究所和中国清华大学麦戈文脑科学研究院张颖教授。研究人员通过Inscopix自由活动钙成像显微镜技术纵向钙成像展示了大脑如何提高区分相似经历的能力,这些发现可能有助于治疗阿尔茨海默病和其他记忆障碍。

情景记忆是由经验激活的神经元集合编码的,这些神经元集合仍然是回忆所必需和充分的。然而,记忆印迹在初始编码后的时间演化尚不清楚。在这项研究中,研究人员采用计算和实验的方法来研究印迹的神经组成和选择性是如何随着记忆巩固而变化的。脉冲神经网络模型产生了可测试的预测:当神经元从非选择性记忆过渡到选择性记忆时,记忆会从非选择性记忆过渡到选择性记忆;回忆过程中的抑制活动对记忆选择性至关重要;记忆巩固过程中的抑制性突触可塑性对印迹的选择性至关重要。利用活动依赖性标记、Inscopix纵向钙成像以及在小鼠齿状回中结合光遗传学和化学遗传学操作,研究人员进行了支持该模型预测的情境恐惧条件反射实验。研究结果表明,记忆印迹是动态的,抑制可塑性介导的印迹组成变化对记忆选择性的产生至关重要。

记忆巩固会重塑记忆印迹

记忆巩固会重新组织记忆印迹,神经元会从印迹中被移除或添加。随着巩固的进行,训练激活的印迹细胞的比例会显著下降,预测许多细胞不再主动编码训练期间获得的记忆。未在训练期间激活的神经元被招募到印迹中,开始主动编码底层记忆。记忆印迹是高度动态的,神经元在巩固过程中被移除或添加。动态抑制印迹也会出现,但周转率较低。

该模型表明,记忆在巩固过程中会从最初的不可选择性变为可选择性。记忆召回率和召回度指标显示,记忆巩固后只有训练刺激的召回率和召回度保持在高水平。区分指数显示,网络模型能够区分训练和新刺激。该模型表明,印迹最初是以不可选择性状态编码的,但随着记忆巩固,它们的组成发生变化,变得更加选择性。该模型还表明,抑制性印迹在模拟中保持不可选择性。

图1 记忆巩固使印迹具有动态性和选择性。

该模型中的记忆组成和选择性变化与记忆巩固期间的突触可塑性有关。训练刺激神经元(即感觉记忆细胞)到海马记忆细胞的前馈突触在记忆巩固过程中得到加强,从而增加了刺激群体与海马网络之间的突触耦合。回路兴奋性突触之间的连接也经历了适度的增强。值得注意的是,抑制性记忆细胞对于抑制性突触的强化,使得许多训练激活的记忆细胞由于强烈的抑制而被迫离开记忆,因此只有对训练刺激高度敏感的神经元留在了记忆中。抑制性神经元还通过抑制性突触可塑性控制网络中兴奋性神经元的总体活动。

研究发现,突触可塑性对于记忆印迹动态的贡献很重要。阻断记忆巩固期间训练刺激的再激活会改变印迹的时间特征,并阻止其变得选择性。这种效应与抑制性突触对印迹细胞的增强有关。阻断长期增强(LTP)会几乎完全消除稳定状态后的印迹细胞更新,并且会影响记忆回忆。阻断Hebbian和非Hebbian形式的长期兴奋性突触可塑性会影响记忆编码和巩固。阻断抑制性突触可塑性会破坏网络模型中记忆选择性的出现。激动性突触可塑性可以促进印迹细胞的更新,但在没有抑制性突触可塑性的情况下,它无法增加兴奋性神经元之间的竞争。最后,发现替代的抑制性突触可塑性形式可以产生与原始网络相似的印迹动态。这表明模型预测的动态和选择性印迹不是特定形式的抑制性可塑性的产物,而是记忆编码和巩固在抑制稳定的可塑性网络中的结果。

图2 训练激活的印迹细胞仍然是记忆回忆的必要和充分条件。

本文研究了记忆编码和检索中的神经元活动模式,并提出了一个动态的记忆印迹模型。通过阻止训练激活的印迹细胞或人为地重新激活它们,研究人员发现训练激活的印迹细胞在记忆存储和检索中起着重要作用。此外,研究人员发现训练期间神经元的活动水平可以预测神经元是否会成为印迹细胞。最后,研究人员使用神经元群体方法来识别印迹细胞,得到了类似的印迹动态。

动态和选择性恐惧记忆印迹

通过CFC行为范式测试了模型预测的记忆从非选择性到选择性的转变。实验中,将小鼠先置于训练环境中进行CFC,然后在延迟期后将其置于中性环境和训练环境中,通过测量每个环境中的冻结水平来评估记忆召回。结果显示,在训练后的短时间内,中性环境和训练环境中的冻结水平相似,但在较长的延迟期后,它们有所不同。通过定义一个冻结行为的辨别指数来衡量记忆召回的选择性,发现在训练后12小时的延迟期后,记忆选择性出现。这些发现与模型预测以及最近的研究结果一致,即条件性味觉厌恶记忆在几小时的时间尺度上变得选择性。

研究使用Cal-Light双蛋白开关系统来研究行为期间的engrams。通过在野生型B6小鼠的海马DG中注射Cal-Light,然后在恐惧训练期间施加蓝光,标记训练激活的DG神经元。使用c-Fos染色标记回忆激活的神经元。研究发现,记忆巩固会导致动态和选择性的engrams。

本文研究了使用Cal-Light方法标记的DG神经元是否足以诱导恐惧记忆的召回。实验结果表明,在恐惧训练后,使用红光激活Cal-Light标记的DG神经元可以诱导恐惧记忆的召回,且在延迟5小时、12小时和24小时后均有效。此外,实验还提供了标记行为经验的功能证据。

图3 动态和选择性印迹编码情境恐惧记忆。

研究人员进行了Inscopix纵向成像实验,直接评估了记忆选择性的出现是否与我们模型预测的记忆细胞集合组成的变化有关。结果表明,动态记忆细胞的活动能够预测动物的记忆辨别能力,而静态记忆细胞或随机神经元则不能。此外,研究人员还跟踪了记忆编码后连续时间点中的记忆细胞集合的重叠,发现记忆细胞集合在记忆巩固过程中发生了变化。研究人员的实验结果直接捕捉到了记忆选择性的出现与记忆细胞集合组成变化之间的联系。

图4 动态印迹是记忆选择性产生的基础。

抑制对记忆选择性至关重要

该研究使用光遗传学方法研究了海马区的不同类型神经元在记忆辨别中的作用。实验结果表明,CCK+神经元对记忆辨别起关键作用,而PV+神经元则不是必需的。这一发现支持了研究者的模型预测,即在记忆回忆过程中,特定细胞类型的抑制活动对记忆选择性至关重要。

图5 回忆过程中的抑制活动对记忆选择性至关重要。

抑制性突触可塑性塑造了选择性印迹

本研究通过网络模拟研究了抑制性突触可塑性对选择性记忆的贡献。在记忆巩固阶段,我们仅阻断了抑制性突触可塑性,结果发现这会影响记忆的选择性。此外,在包含CCK+和PV+抑制性神经元的扩展网络模型中,我们特异性地阻断了CCK+抑制性神经元,结果发现这也会破坏记忆的选择性。然而,即使在没有抑制性可塑性的情况下,记忆细胞的更新仍然存在。这表明兴奋性突触可塑性单独可以推动动态记忆的出现。因此,我们的网络模型预测,在记忆巩固阶段阻断抑制性突触可塑性会阻止记忆选择性的出现。

研究表明,记忆差异性的产生需要在记忆巩固期间的抑制性突触可塑性。通过化学遗传学方法,研究人员发现在恐惧训练后暂时抑制DG CCK +间质细胞会导致记忆选择性的丧失。同时,抑制CCK +间质细胞会阻止它们对DG训练激活的印迹细胞的可塑性。研究还发现,抑制CCK +间质细胞不会影响印迹细胞的周转率。这些实验结果支持了模型的预测,即记忆差异性的产生需要在记忆巩固期间的抑制性突触可塑性。

图6 记忆巩固过程中的抑制性突触可塑性塑造出选择性。

研究发现,记忆是由动态的印迹编码而成的,这些印迹在记忆巩固过程中变得更加选择性。DG印迹细胞的快速周转发生在几个小时内,与系统巩固的活跃-沉默转换无关,而且不需要重新训练。研究提出了一个计算框架,识别了记忆巩固期间持续的突触可塑性作为驱动印迹组成变化的基本机制。印迹细胞周转与选择性印迹的出现有关,抑制和抑制性突触可塑性对于表达和发展记忆选择性是必要的。计算模型能够调和训练激活的印迹细胞对于记忆召回的必要性和充分性与不断变化的印迹之间的矛盾。

重复暴露于感知、导航、应激或感觉运动任务中,嗅觉、视觉、顶叶、前额叶和运动皮层以及海马体中的神经表示已被证明会随时间改变或漂移。这种表示漂移在不同的时间尺度上观察到,取决于大脑区域和实验范式。研究表明,持续的后编码突触可塑性推动了神经表示的持续变化,这可能是一种普遍的统一机制,可以解释不同区域和任务中的表示漂移。研究还发现,记忆细胞的周转与记忆选择性的出现有关。因此,表示漂移可能不仅仅是突触可塑性的副产品,而且可能具有计算和行为功能。这些发现可能为研究持续不选择性的厌恶记忆等病理条件提供新的方向。

参考文献

Tomé, D.F., Zhang, Y., Aida, T. et al. Dynamic and selective engrams emerge with memory consolidation. Nat Neurosci (2024).

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