一场大地震后,有的人会反复回忆地震发生的一瞬间,还有的人周围稍有动静就以为地震了,并重新表现出恐惧和焦虑。这是关于恐惧的记忆在起作用。如果记忆被淡忘了,这样的创伤后应激障碍是否会得到缓解?日前,中科院上海生科院神经所蒲慕明研究组一项科研成果在《自然·神经科学》发表,首次揭示了听觉恐惧记忆的另一条通路。科研人员表示,假如能找到在人脑中的对应通路,通过调节这个通路的活动性,就可以减轻焦虑症和创伤后应激障碍等症状。

中科院上海生科院神经所 蒲慕明小组揭示恐惧记忆相关突触特异性变化机制

中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所蒲慕明研究组于9月5日在《自然-神经科学》上在线发表了一篇题为《与恐惧记忆相关的杏仁核-皮层突触特异性变化》的文章,首次揭示了在听觉恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核-听觉皮层投射通路,并发现该通路在听觉恐惧学习后会发生特异性的突触连接重构。研究人员进一步通过双色双光子成像技术发现,新突触连接主要通过在已存在的突触上添加新的突触结构的方式形成,提示了成年大脑皮层中新突触形成的基本规律。

发现新的恐惧传递通路

科学网9月5日上海讯今天,中科院上海生科院神经所蒲慕明研究组在《自然:神经科学》上在线发表了题为《与恐惧记忆相关的杏仁核-皮层突触特异性变化》的研究论文,首次揭示了在听觉恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核-听觉皮层投射通路,并发现该通路在听觉恐惧学习后会发生特异性的突触连接重构。研究人员进一步通过双色双光子成像技术发现,新突触连接主要通过在已存在的突触上添加新的突触结构的方式形成,提示了成年大脑皮层中新突触形成的基本规律。

条件恐惧是学习与记忆研究中常用的行为范式。在听觉条件恐惧学习中,小鼠先听到一个声音,再被给予一个足部电击。小鼠会将声音与电击关联起来,并在声音到来时表现出恐惧反应。关于条件恐惧的神经环路基础,人们普遍认为,听觉信息从听觉丘脑和皮层传入,然后经由听觉丘脑——侧杏仁核及听皮层-——侧杏仁核通路,在侧杏仁核与来自体感皮层的电击信息整合。然而,在此项研究中,结合荧光标记、病毒示踪和免疫电镜技术等,研究人员发现了一个新的投射通路:侧杏仁核——听觉皮层。运用化学遗传和光遗传技术,研究人员发现选择性抑制此通路的神经活动可大幅度降低小鼠的恐惧反应,表明此通路在恐惧记忆中起着关键作用。

研究组成员杨扬介绍,在他们这次的工作中,发现了小鼠大脑中与条件恐惧学习中起关键作用的新连接通路。

条件恐惧是学习与记忆研究中常用的行为范式。在听觉条件恐惧学习中,小鼠先听到一个声音,再被给予一个足部电击。小鼠会将声音与电击关联起来,并在声音到来时表现出恐惧反应。关于条件恐惧的神经环路基础,人们普遍认为,听觉信息从听觉丘脑和皮层传入,然后经由听觉丘脑——侧杏仁核及听皮层-——侧杏仁核通路,在侧杏仁核与来自体感皮层的电击信息整合。然而,在此项研究中,结合荧光标记、病毒示踪和免疫电镜技术等,研究人员发现了一个新的投射通路:侧杏仁核——听觉皮层。运用化学遗传和光遗传技术,研究人员发现选择性抑制此通路的神经活动可大幅度降低小鼠的恐惧反应,表明此通路在恐惧记忆中起着关键作用。

侧杏仁核——听皮层通路在条件恐惧学习后是否表现出突触可塑性?皮层中的突触由突触前轴突小结和突触后树突棘构成。研究人员用双光子成像技术对小鼠听皮层进行在体长期成像,以追踪此通路中来自侧杏仁核的轴突小结和听皮层细胞的树突棘的结构变化。研究发现侧杏仁核的轴突小结和听皮层第五层细胞的顶树突的树突棘在恐惧学习3天之后都有显著增加。与之形成对照的是,来自前扣带回皮层和听觉丘脑的突触前轴突小结,以及听皮层第2/3层细胞的树突棘,在恐惧学习之后都没有显著变化,提示恐惧学习可特异性地造成侧杏仁核细胞与听皮层第5层细胞的突触重构。

什么是条件恐惧学习?给小鼠听一个声音,然后电击它,此后即使只给声音而不电击,小鼠也会表现出恐惧反应,也就是产生了声音与电击关联的记忆。这一训练范式叫做听觉条件恐惧。在以往的研究中,人们发现,在听觉恐惧学习中信息的流向是从大脑的听觉感觉区,再通往其他区域。但反方向的投射,也就是从杏仁核到听觉皮层的投射从未被报道过。

侧杏仁核——听皮层通路在条件恐惧学习后是否表现出突触可塑性?皮层中的突触由突触前轴突小结和突触后树突棘构成。研究人员用双光子成像技术对小鼠听皮层进行在体长期成像,以追踪此通路中来自侧杏仁核的轴突小结和听皮层细胞的树突棘的结构变化。发现侧杏仁核的轴突小结和听皮层第五层细胞的顶树突的树突棘在恐惧学习3天之后都有显著增加。与之形成对照的是,来自前扣带回皮层和听觉丘脑的突触前轴突小结,以及听皮层第2/3层细胞的树突棘,在恐惧学习之后都没有显著变化,提示恐惧学习可特异性地造成侧杏仁核细胞与听皮层第5层细胞的突触重构。

同一根树突上的不同树突棘和同一根轴突上的不同轴突小结都分别会与不同的神经元形成突触。突触可塑性是否可由特定的连接通路决定?为回答这一问题,研究人员在活体动物中首次使用了双色双光子成像技术。通过在特定通路中的突触前与突触后神经元中表达不同的荧光蛋白,研究人员可以直接观察到该通路中的突触结构。用这个方法,研究人员发现,恐惧学习后,侧杏仁核——听皮层通路中的轴突小结及树突棘增加比例都远高于平均,即突触可塑性可由连接通路决定。进一步研究发现,侧杏仁核——听皮层通路中的突触数目在恐惧训练两小时后就有显著增加,且增加可延续至3天以上,与恐惧记忆形成和巩固的时程一致,提示此通路可能与恐惧记忆的存储相关。

但研究组发现,小鼠的侧杏仁核,会直接将恐惧信息投射回大脑的初级感觉皮层。研究人员进一步观察到,在小鼠形成对一个声音的恐惧记忆之后,再选择性地抑制这个连接通路,小鼠的恐惧反应就大大降低,表现得不再害怕这个声音。这一科研结果也提示了灵长动物中类似通路的作用。

同一根树突上的不同树突棘和同一根轴突上的不同轴突小结都分别会与不同的神经元形成突触。突触可塑性是否可由特定的连接通路决定?为回答这一问题,研究人员在活体动物中首次使用了双色双光子成像技术。通过在特定通路中的突触前与突触后神经元中表达不同的荧光蛋白,研究人员可以直接观察到该通路中的突触结构。用这个方法,研究人员发现,恐惧学习后,侧杏仁核——听皮层通路中的轴突小结及树突棘增加比例都远高于平均,即突触可塑性可由连接通路决定。进一步研究发现,侧杏仁核——听皮层通路中的突触数目在恐惧训练两小时后就有显著增加,且增加可延续至3天以上,与恐惧记忆形成和巩固的时程一致,提示此通路可能与恐惧记忆的存储相关。

使用双色成像技术,研究人员还发现,新形成的突触绝大多数都是在已存在的突触结构上添加新的突触结构的方式形成,很少有突触前后均为新形成的“全新”突触。这个新增突触连接的方式可以节省空间和结构蛋白数量,是一种很“经济”的突触形成方式。并且,在所有观察过的皮层下—皮层,以及皮层—皮层通路中,突触形成都遵循此规律,故而此规律可能是成年动物大脑皮层中新增突触的通用规则。

当前,针对脑疾病和其他神经系统疾病,还在使用上世纪50年代的药品,这对于脑功能有一定副作用。而一些生理和物理治疗手段,近年来被发现有一定效果。蒲慕明院士表示,假如能找到在人脑中的对应通路,通过调节这个通路的活动性,可以减轻焦虑症和创伤后应激障碍等症状。不过,他同时表示,目前用于小鼠的光遗传和化学遗传手段在伦理上有争议,都不能用于人类。

使用双色成像技术,研究人员还发现,新形成的突触绝大多数都是在已存在的突触结构上添加新的突触结构的方式形成,很少有突触前后均为新形成的“全新”突触。这个新增突触连接的方式可以节省空间和结构蛋白数量,是一种很“经济”的突触形成方式。并且,在所有观察过的皮层下—皮层,以及皮层—皮层通路中,突触形成都遵循此规律,故而此规律可能是成年动物大脑皮层中新增突触的通用规则。

此项工作在蒲慕明指导下,由神经所的杨扬和刘丹倩共同完成。该研究首次发现了在恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核——听觉皮层通路,及该通路与恐惧学习相关的特异性重构。此研究为研究通路特异结构的可塑性提供了新方法,对条件恐惧学习的神经环路研究是重要的补充,并且提示了成年动物大脑中新突触形成的基本规律。

添加突触形成恐惧记忆

据悉,该项工作是在蒲慕明院士的指导下,由神经所的杨扬和刘丹倩共同完成的。该研究首次发现了在恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核——听觉皮层通路,及该通路与恐惧学习相关的特异性重构。专家认为,此研究为研究通路特异结构的可塑性提供了新方法,对条件恐惧学习的神经环路研究是重要的补充,并且提示了成年动物大脑中新突触形成的基本规律。

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恐惧记忆究竟储存在哪里呢?与电脑不同,人类的大脑没有一个类似集中存储数据的硬盘的“记忆中心”。经过多年研究,神经科学家们基本达成共识,认为记忆存储在以突触为基本单元的神经网络中。突触分为突触前和突触后两部分,突触前结构叫轴突小结,突触后结构叫树突棘。前人的工作研究了伴随着视觉、运动和听觉学习,相关脑区中的树突棘发生的变化,但是在这些研究中,人们只观察了树突棘,而没有观察与之连接的轴突小结,所以这些突触的信息输入来自哪些神经元是未知的。

图A:局部注射EGFP顺向标记LA的神经元,在同侧ACx能检测到荧光标记的轴突信号。图B:在LA注射表达hM4D的病毒。在恐惧记忆测试时,在ACx局部注射hM4D的配体CNO以阻断LA-ACx通路的突触传递。*
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0.01。图C:在LA注射表达eArch3.0的病毒。在恐惧记忆测试时,在ACx照射绿光以抑制投射到ACx的LA轴突。图D:左:训练后3天,投射到ACx表层的LA轴突小结的形成比例和消失比例。右:ACx
L5神经元顶树突上树突棘的形成和消失比例。每个圆圈代表一只小鼠。图E:左:双色双光子在体成像观察LA的轴突和L5神经元顶树突。白色箭头,三角形和菱形分别指示稳定的,新形成的和消失的突触。右:对照组和实验组中,LA-ACx突触在训练后新形成及消失的比例。***p“0.001。图F:左:新的树突棘与已有的轴突小结形成新的突触。右:新的轴突小结与已有的树突棘形成新的突触。

为了填补这一空白,研究人员在实验中标记了来自不同区域的突触前神经元和位于听皮层中的突触后神经元。他们发现,只有侧杏仁核与听皮层神经元形成的突触,在听觉恐惧学习后数目有明显增加,其他区域并没有显著变化。这表明恐惧记忆是通过在侧杏仁核—听皮层通路中添加突触的方式来存储的。

如果进一步发现了大脑存储记忆的秘密并用于人脑,人类是否会变得更聪明呢?蒲慕明院士说,这不仅是一件非常遥远的事情,还要考虑到副作用,以及神经伦理学问题。

研究人员发现,98%以上新形成的突触都遵循“部分新增”的规律。也就是说,这些新突触不是全新的,而是半新半旧:或是在旧的轴突小结上新增一个树突棘,或是在旧的树突棘上新增一个轴突小结。这个形成新突触的方法可以节省空间、细胞能量和所需的结构蛋白数量。研究人员在所有与学习有关或无关的突触变化中都看到了这个现象,因此判断这可能是成年动物大脑中突触形成的普遍规律。

(原载于《解放日报》2016年9月7日 05版)