【PNAS】揭秘 哆啦A梦的记忆面包是如何发挥作用的
“池塘边的榕树上，知了在声声叫着夏天。。。”
在我们一生中，最快乐最漫长的时期就是童年的时光，这段时期，不仅只有王者荣耀和吃鸡，孩子们还与大自然、社会密切接触，其行为发展、认知能力都得到快速提升。
哈佛大学儿童发展研究中心的研究发现，在0-2岁之间，正常孩子大脑每秒钟建立700个神经元的连接，海马网络就是通过神经元生长和突触形成来构建的。同时，研究表明在婴儿出生后的早期发育过程中，大脑的感觉区域经历了高度可塑性的时期，是成人感觉、知觉的塑造和神经网络调节的基石。但是，人们对形成这一过程的具体分子机制尚不清楚。
2018年11月15日，《PNAS》杂志发表了汉堡大学Dietmar Kuhl和Ora Ohana研究团队的最新研究成果，他们发现即刻早基因Arc/ Arg3.1在空间学习记忆和海马网络活动的发展和成熟过程中的重要作用，Arc/Arg3.1介导了空间学习的一个关键时期，在此期间，Arc/Arg3.1还促进了海马网络活动的成熟，这对于未来学习和记忆的存储有重大影响，这一发现为活动依赖的可塑性调节提供一个靶点，也为研究大脑高级功能的神经发育提供了一个新的思路。
结果
首先，作者用放射性原位杂交技术（rISH）检测了WT小鼠海马中Arc/Arg3.1表达，结果显示，Arc/Arg3.1 mRNA水平从小鼠出生后第7天（P7）开始被检测到，在P14和P21之间显著增加，随后在成年时降低到基线水平（图1A）。在小鼠还没有形成长期记忆的时期内，Arc/Arg3.1的自发上调提示了其在助记电路发展过程中的新作用。
为进一步验证，作者分别制备Arc/Arg3.1f/f小鼠（把两个loxp位点放到Arc/Arg3.1基因两端制备出的floxed小鼠）、Early-cKO小鼠和Late-cKO小鼠（Arc/Arg3.1f/f小鼠分别与含两个不同CaMKⅡα启动子的Cre小鼠交配，使其分别在P7和P21后不可逆地敲除Arc/Arg3.1基因）。随后，Morris水迷宫检测（MWM）发现，KO小鼠和Early-cKO小鼠的逃逸潜伏期显著延长，空间探索能力更差。有趣的是，Late-cKO小鼠则表现出更精确有效地空间探索能力，且其逃逸潜伏期与WT小鼠相比没有显著性差异（图1B-H）。这些数据表明KO小鼠和Early-cKO小鼠的空间学习能力受损，但其非空间探索能力不受影响，相反地，Late-cKO小鼠表现出正常的空间学习和探索能力。
图1 空间学习能力依赖Arc/Arg3.1在出生后早期发育中的表达
随后，研究人员进行MWM空间探索实验研究小鼠巩固长期空间记忆的能力。结果显示，KO小鼠、Early-cKO小鼠和Late-cKO小鼠的空间记忆能力（寻找并游向目标平台的时间）、穿越原平台所在象限的次数均显著降低，表明其长期空间记忆能力受损（图2A-I）。此外，恐惧条件反射（CFC）实验也显示和上述类似的结果（图2J-L）。这提示了长期记忆的巩固甚至是发育过程中学习能力的建立都依赖于Arc/Arg3.1的表达。
图2 Arc/Arg3.1的表达在巩固长期记忆过程中发挥重要作用
接下来，作者建立海马网络振荡模型，对麻醉后的小鼠海马进行多通道深度记录，并测量了局部场电位（LFPs）。研究发现，在快眼动睡眠（REM）运动活动中，KO小鼠海马CA1区Theta (4-6hz)和Gamma (20-50hz)频率振荡活动显著性降低，而慢波睡眠(SWS)运动活动的振幅与WT小鼠类似（图3A-E）。此外，Early-cKO小鼠Theta频率振荡以及SPWs的振幅同样显著降低（Gamma频率振荡不受影响，图3F、3G）。有趣的是，Late-cKO小鼠海马网络振荡活动中所有检测指标均与WT小鼠类似（图3H、3I）。这些数据提示了在胚胎期或出生21天之前敲除Arc/Arg3.1基因会造成成年小鼠海马网络振荡活动受损，然而小鼠出生21天之后敲除则不会对海马网络振荡活动产生影响。
图3 P21之前敲除Arc/Arg3.1基因损伤海马网络振荡活动
最后，作者在小鼠双侧海马注射rAAV-Cre病毒，敲除成年小鼠海马区Arc/Arg3.1基因（Adult-cKO，图4A）。WMW结果显示，Adult-cKO小鼠的逃逸潜伏期和空间探索能力与对照组小鼠相比无显著性差异（图4B-D）。这表明敲除成年小鼠海马区Arc/Arg3.1基因不会影响小鼠的空间学习能力。然而，与KO小鼠、Early-cKO小鼠和Late-cKO小鼠类似，Adult-cKO小鼠同样表现出严重受损的长期空间记忆能力（图4E-G）。
图4 成年小鼠Arc/Arg3.1基因缺失影响空间记忆能力
结论
人类学习和记忆的关键时期一直存在争议，但近期的啮齿动物研究发现其出生后第17天到第24天是获取潜在情景记忆的关键时期。这篇文章研究发现，新生小鼠海马中Arc/Arg3.1基因表达上调是海马网络活动和空间学习所必需的。在Arc/Arg3.1缺失的情况下，海马网络活动支持正常的空间学习，但长期记忆的形成则依赖Arc/Arg3.1的表达。这些结果表明，Arc/Arg3.1介导海马网络活动发育和长期空间记忆形成的关键时期，这为研究大脑高级功能的神经发育提供了一个新的思路。
此外，文中使用的Cre-Loxp系统、Flox鼠配合AAV病毒载体实现特定脑区的基因敲除等策略是目前神经科学常用的技术手段，值得关注。
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参考文献
[1] Gao X Y, et al. Arc/Arg3.1 mediates a critical period for spatial learning and hippocampal networks[J]. PNAS, 2018.https://doi.org/10.1073/pnas.1810125115