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與恐懼記憶相關的突觸特異性變化

發布時間:2016-09-06

  神經所蒲慕明研究組于2016年9月5日在《自然-神經科學》上在線發表了一篇題為《與恐懼記憶相關的杏仁核-皮層突觸特異性變化》的文章,首次揭示了在聽覺恐懼記憶中起重要作用的側杏仁核-聽覺皮層投射通路,并發現該通路在聽覺恐懼學習后會發生特異性的突觸連接重構。研究人員進一步通過雙色雙光子成像技術發現,新突觸連接主要通過在已存在的突觸上添加新的突觸結構的方式形成,提示了成年大腦皮層中新突觸形成的基本規律。

  條件恐懼是學習與記憶研究中常用的行為范式。在聽覺條件恐懼學習中,小鼠先聽到一個聲音,再被給予一個足部電擊。小鼠會將聲音與電擊關聯起來,并在聲音到來時表現出恐懼反應。關于條件恐懼的神經環路基礎,人們普遍認為,聽覺信息從聽覺丘腦和皮層傳入,然后經由聽覺丘腦——側杏仁核及聽皮層-——側杏仁核通路,在側杏仁核與來自體感皮層的電擊信息整合。然而,在此項研究中,結合熒光標記、病毒示蹤和免疫電鏡技術等,研究人員發現了一個新的投射通路:側杏仁核——聽覺皮層(圖A)。運用化學遺傳和光遺傳技術,研究人員發現選擇性抑制此通路的神經活動可大幅度降低小鼠的恐懼反應(圖B),表明此通路在恐懼記憶中起著關鍵作用。

  側杏仁核——聽皮層通路在條件恐懼學習后是否表現出突觸可塑性?皮層中的突觸由突觸前軸突小結和突觸后樹突棘構成。研究人員用雙光子成像技術對小鼠聽皮層進行在體長期成像,以追蹤此通路中來自側杏仁核的軸突小結和聽皮層細胞的樹突棘的結構變化。發現側杏仁核的軸突小結和聽皮層第五層細胞的頂樹突的樹突棘在恐懼學習3天之后都有顯著增加(圖C)。與之形成對照的是,來自前扣帶回皮層和聽覺丘腦的突觸前軸突小結,以及聽皮層第2/3層細胞的樹突棘,在恐懼學習之后都沒有顯著變化,提示恐懼學習可特異性地造成側杏仁核細胞與聽皮層第5層細胞的突觸重構。

  同一根樹突上的不同樹突棘和同一根軸突上的不同軸突小結都分別會與不同的神經元形成突觸。突觸可塑性是否可由特定的連接通路決定?為回答這一問題,研究人員在活體動物中首次使用了雙色雙光子成像技術。通過在特定通路中的突觸前與突觸后神經元中表達不同的熒光蛋白,研究人員可以直接觀察到該通路中的突觸結構。用這個方法,研究人員發現,恐懼學習后,側杏仁核——聽皮層通路中的軸突小結及樹突棘增加比例都遠高于平均(圖D),即突觸可塑性可由連接通路決定。進一步研究發現,側杏仁核——聽皮層通路中的突觸數目在恐懼訓練兩小時后就有顯著增加,且增加可延續至3天以上(圖E),與恐懼記憶形成和鞏固的時程一致,提示此通路可能與恐懼記憶的存儲相關。

  使用雙色成像技術,研究人員還發現,新形成的突觸絕大多數都是在已存在的突觸結構上添加新的突觸結構的方式形成(圖F),很少有突觸前后均為新形成的“全新”突觸。這個新增突觸連接的方式可以節省空間和結構蛋白數量,是一種很“經濟”的突觸形成方式。并且,在所有觀察過的皮層下—皮層,以及皮層—皮層通路中,突觸形成都遵循此規律,故而此規律可能是成年動物大腦皮層中新增突觸的通用規則。

  此項工作在蒲慕明院士的指導下,由神經所的楊揚和劉丹倩共同完成。該研究首次發現了在恐懼記憶中起重要作用的側杏仁核——聽覺皮層通路,及該通路與恐懼學習相關的特異性重構。此研究為研究通路特異結構的可塑性提供了新方法,對條件恐懼學習的神經環路研究是重要的補充,并且提示了成年動物大腦中新突觸形成的基本規律。

   

  圖A:局部注射EGFP順向標記LA的神經元,在同側ACx能檢測到熒光標記的軸突信號。圖B:在LA注射表達hM4D的病毒。在恐懼記憶測試時,在ACx局部注射hM4D的配體CNO以阻斷LA-ACx通路的突觸傳遞。* p < 0.05, ** p < 0.01。圖C:在LA注射表達eArch3.0的病毒。在恐懼記憶測試時,在ACx照射綠光以抑制投射到ACx的LA軸突。圖D:左:訓練后3天,投射到ACx表層的LA軸突小結的形成比例和消失比例。右:ACx L5神經元頂樹突上樹突棘的形成和消失比例。每個圓圈代表一只小鼠。圖E:左:雙色雙光子在體成像觀察LA的軸突(綠)和L5神經元頂樹突(紅)。白色箭頭,三角形和菱形分別指示穩定的,新形成的和消失的突觸。右:對照組和實驗組中,LA-ACx突觸在訓練后新形成及消失的比例。***p<0.001。圖F:左:新的樹突棘與已有的軸突小結形成新的突觸。右:新的軸突小結與已有的樹突棘形成新的突觸。

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