Commun Biol|中国科学院大学王晋辉团队揭示联合记忆细胞在恐惧记忆中的重要作用

学术   2024-11-15 00:02   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文陈炳琛

责编︱王思珍


联合记忆细胞:“孟婆汤作用靶点


在高等动物发育成长过程中,自然环境中物体与场景信息和社会活动中交流信息的各种特征被不同的感觉系统识别拆解后,转换成神经信息分别传入大脑感觉皮层的不同区域。为了还原这些物体、场景和交流的完整信息以便大脑能够理解与整合储存,大脑皮层神经元通过其交互联系形成信息整合与储存单元,这些整合与储存的信息是认知过程和情感反应的基础。已经发现大脑皮层完成信息整合与储存的基本单元是联合记忆细胞Associative Memory Cells: Basic Units of Memory Trace, by Jin-Hui WangSpringer-Nature, Associative Memory Cells: Basic Units of Memory Trace | SpringerLink。这些联合记忆细胞不仅经能够整合储存生理信息Associative memory neurons of encoding multi-modal signals are recruited by neuroligin-3-mediated new synapse formation | eLife,也能整合储存应激恐惧信息Associative memory cells of encoding fear signals and anxiety are recruited by neuroligin-3-mediated synapse formation | Communications Biology


社交应激能够诱导恐惧记忆和焦虑,但其背后的神经机制尚未完全明确。社交应激所造成的恐惧记忆其本质是一种联合型学习记忆。近年来,研究人员通过生理信息刺激的联合学习记忆模型,证明了联合记忆细胞是学习与记忆的基本单元[1]。联合记忆神经元是指个体在接收联合型信息输入过程中形成的,能够同时编码两种及以上信息的神经元,在联合型学习记忆中发挥重要作用[1-6]然而,联合记忆细胞在恐惧记忆中的作用仍有待研究。对该问题的回答,既有利于揭示恐惧记忆与焦虑的形成机制,为未来的治疗策略提供帮助,也有利于联合学习记忆理论的丰富和发展。


近日,中国科学院大学王晋辉教授团队在Communications Biology发表了题为Associative memory cells of encoding fear signals and anxiety are recruited by neuroligin-3-mediated synapse formation的文章,揭示了联合记忆细胞在恐惧记忆中的重要作用。


研究人员首先构建了由体型较大,性格较凶猛的CD1小鼠攻击体型较小的C57小鼠的社交应激动物模型。C57小鼠作为入侵者(intruder)被放入原住民(residentCD1小鼠的笼子内,并会被CD1小鼠攻击。在打斗过程中,C57小鼠会遭受躯体被撕咬的痛觉刺激和打斗过程中的碰撞、尖叫的声音刺激的联合输入。经过21天的社交应激训练后,C57小鼠在旷场规避实验中表现出明显的关于CD1小鼠的恐惧记忆,在高架十字迷宫实验中表现出明显的焦虑样行为。相关结果见图1

1. A)小鼠社交应激训练模型与行为检测示意图。B-E)旷场规避和高架十字迷宫行为检测结果


接下来,为了寻找符合联合记忆细胞形态特征的神经元,研究人员使用激光共聚焦显微镜对小鼠体感皮层进行神经形态研究。研究人员向C57BL/6J Thy1-YFP小鼠(谷氨酸能神经元表达黄色荧光蛋白)的丘脑腹后内侧核(VPMventral posteromedial nucleus of thalamus)和听觉皮层(auditory cortex)分别注射蓝色和红色的顺向示踪病毒,然后在体感皮层寻找能够同时接收两种颜色突触投射的神经元。结果表明,经过社交应激训练之后,小鼠体感皮层和听觉皮层之间的神经投射得到加强,体感皮层树突棘数量明显增加,并且体感皮层招募到了既能接收来自丘脑VPM突触投射,又能接收来自听觉皮层突触投射的联合记忆神经元。相关结果见图2

 

2.入侵组小鼠具有更高的树突棘密度,并出现符合联合记忆细胞的形态特征


然后,为了验证社交应激训练所导致的小鼠体感皮层细胞功能的变化,研究人员使用在体电生理技术研究小鼠体感皮层神经元对躯体痛觉信息和打斗声音信息的编码能力。研究者在小鼠体感皮层插入记录电极,用于记录神经元在接受躯体痛觉刺激和打斗声音刺激时的放电频率。在体电生理结果表明,社交应激训练后小鼠的体感皮层神经元具有更强的对痛觉和声音信息的编码能力,既能处理痛觉信息又能处理听觉信息的联合记忆神经元的占比也明显增加。相关结果见图3

3. 入侵组小鼠体感皮层神经元具有更多的联合记忆神经元,且编码痛觉和听觉信息的能力得到增强


最后,研究人员使用腺相关病毒在小鼠体感皮层敲低了参与突触形成的神经连接蛋白neuroligin-3的表达水平,通过影响突触的形成干扰了联合记忆神经元的形成。研究结果表明,降低了neuroligin-3表达水平的入侵组小鼠体感皮层联合记忆细胞占比明显减少,接收外部脑区的神经投射强度明显减弱,恐惧记忆和焦虑样行为也有所缓解。见图4

4. Neuroligin-3的敲低影响了联合记忆神经元的招募,减轻了入侵组小鼠的恐惧记忆和焦虑样行为

文章结论与讨论,启发与展望

本研究发现了编码恐惧社交中痛觉和听觉等应激信息的联合记忆神经元。基于这些神经元间neuroligin-3介导新的突触联系,这些联合记忆神经元在恐惧记忆和焦虑中具有关键作用。这项研究成果是联合记忆细胞理论的重要拓展,为缓解恐惧记忆和焦虑提供了新的视角。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s42003-024-07170-w


中国科学院大学王晋辉教授为本文通讯作者。中国科学院大学博士生陈炳琛为本文第一作者。该研究由国家自然科学基金委资助,在中国科学院大学生命科学学院与中国科学院生物物理研究所完成。


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参考文献

1. Wang, J.-H., Associative memory cells: basic units of memory trace. 2019: Springer.

2. Wang, D., et al., Neurons in the barrel cortex turn into processing whisker and odor signals: a cellular mechanism for the storage and retrieval of associative signals. Frontiers in Cellular Neuroscience, 2015. 9: p. 320.

3. Wang, J.-H. and S. Cui, Associative memory cells: formation, function and perspective. FResearch, 2017. 6(283): p. 283.

4. Xu, Y., et al., Associative memory neurons of encoding multi-modal signals are recruited by neuroligin-3-mediated new synapse formation. Elife, 2023. 12: p. RP87969.

5. Wang, J.H., et al., Both glutamatergic and gabaergic neurons are recruited to be associative memory cells. Biophysical Journal, 2016. 110(3): p. 481a.

6. Feng, J., et al., Barrel cortical neuron integrates triple associated signals for their memory through receiving epigenetic-mediated new synapse innervations. Cerebral Cortex, 2017. 27(12): p. 5858-5871.




编辑︱王思珍
本文完



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