【Nature Neuroscience】隔空传功！光遗传操控大脑实现无经历产生新记忆！
光阴似箭，转眼间劳动节假期已过，小伙伴们又在这百花盛开的时节回到工作岗位上辛勤劳动，小编我也即将在本周末迎来自己第27个生日。恍惚间，点点滴滴的事情逐一浮现在眼前，真的是“今看花月浑相似，安得情怀似往时”。
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说起记忆，它是人脑对经验过事物的识记、保持、再现或再认，是进行思维、想象等高级心理活动的基础。经历可谓是记忆的重要因素，不过不知道小伙伴们有没有过这种体验，有的时候我们脑海中会浮现出一段似乎很真实的场景，但实际上我们从未经历过。对于一些神经功能紊乱的患者，他们也会把幻想的事情当做真实，将这些记忆深深印记在脑海中。由此可见，经历也并非记忆的必要因素。
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在金庸先生的著名小说《天龙八部》中有这样一个经典桥段，在虚竹和尚误打误撞破解尘封30年的“珍珑”棋局后，逍遥派掌门人无崖子化去其少林内功，并将七十年逍遥派功力传于虚竹。这段故事中，虚竹所修炼的少林内功是实实在在的经历所产生的记忆，而逍遥派功力是无崖子的经历而非虚竹的经历所产生的记忆，他通过“传功”方法将这些记忆传递至虚竹的大脑中。那么，这种“隔空传功”真的能够实现吗？
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神经生物学研究表明，一段经历可引起机体大脑皮层、海马、杏仁核等多个脑区产生某种变化，由此编码记忆印迹[1]。因此，如果通过人工操控神经元手段以再现这种变化，我们便有可能在非经历的条件下插入一段记忆。
记忆印迹的多水平分析
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2019年4月30日，《Nature Neuroscience》杂志在线刊登了加拿大多伦多病童医院Paul W. Frankland教授的最新重要工作[2]，他们通过光遗传方法操控记忆相关神经元，在小鼠中插入了无经历的记忆。该研究首次实现在无经历条件下编码记忆印迹，极大提高了人们在学习、记忆领域的认知。
Paul W. Frankland教授
结果
01
条件性厌恶记忆范式的建立
首先，作者训练小鼠以建立气味诱导的条件性厌恶记忆范式[3]。他们以苯乙酮（Acetophenone，气味A）作为条件性刺激（CS），以足底电击作为非条件性刺激（US），将其配对，并在第二天检测小鼠的记忆。记忆检测范式为：隔一天，将小鼠置于充盈苯乙酮或香芹酮（Carvone，气味C）的二室中间，观测其偏好性（图1a）。值得一提的是，苯乙酮与香芹酮激活不同气味受体，小鼠本身对这两种气味无偏好性。
他们发现，将CS与US配对后，即在小鼠嗅到气味A时给予足底电击，第二天小鼠会偏向气味C的一端，而给予CS、只给予US或CS、US不配对条件下均不会引起此现象（图1b-c）。
图1 将苯乙酮气味与足底电击配对建立条件性厌恶记忆范式
02
光遗传建立条件性厌恶记忆范式
建立好范式之后，便是我们见证奇迹的时刻了。过去的研究表明，在鼻腔中，气味由嗅觉感受器神经元（OSN）探测，每个OSN表达一种气味受体（OR），表达相同OR的OSN汇聚在1-2个嗅小球中[4, 5]。其中，气味A可激活表达M72 OR的OSN，而气味C不能[6]。那么，激活表达M72 OR的OSN是否可以让小鼠产生嗅到气味A编码的记忆呢？
作者使用转基因小鼠M72-ChR2，在表达M72 OR的OSN（后文中简称为M72）中表达ChR2（图2d），并在M72嗅小球上方植入光纤。他们建立相同范式，只是将CS由气味A改变为光激活M72，发现小鼠在记忆检测范式中同样会偏向气味C的一侧（图2e-f），表明将M72的光激活与足底电击配对使小鼠在无经历条件下产生了对气味A的厌恶性记忆。
图2 光激活M72与足底电击配对建立条件性厌恶记忆范式
03
双环路光遗传建立条件性厌恶记忆范式
在上文结果中，作者通过光激活M72编码气味A引起的厌恶性记忆，十分厉害。但如果仅仅这样便觉得厉害，那我们未免有些低估了这篇文章。精彩的还在后面呢！
在使用光激活M72替代气味A作为CS后，作者尝试使用光遗传操控手段替代足底电击作为US。有研究显示，外侧僵核（LHb）-腹侧被盖区（VTA）环路介导厌恶情绪[7]。他们在M72-ChR2小鼠的LHb中注射AAV-ChR2并在VTA与M72嗅小球上方植入光纤（图3a），以光激活M72作为CS，以光激活LHb-VTA作为US，将其配对，发现小鼠在记忆检测范式中再次偏向气味C的一侧（图3b-e）。
上述结果表明，通过光遗传操控手段，可以让小鼠在未经历气味A嗅觉与足底电击的条件下产生一段仿佛设身处地一般的厌恶性记忆，使小鼠在检测范式中躲避气味A。
图3 光激活M72与光激活LHb-VTA配对建立条件性厌恶记忆范式
04
双环路光遗传建立条件性奖赏记忆范式
那么，如果将US替换为光激活奖赏环路，是否可以插入气味A的条件性奖赏性记忆呢？作者就此展开进一步研究。与上文相同的研究显示，背外侧被盖核（LDT）-腹侧被盖区（VTA）环路介导奖赏情绪[7]。他们在M72-ChR2小鼠的LDT中注射AAV-ChR2并在VTA与M72嗅小球上方植入光纤（图4f），以光激活M72作为CS，以光激活LDT-VTA作为US，将其配对，发现小鼠在记忆检测范式中偏向气味A的一侧（图4g-j）。
上述结果表明，通过光遗传操控手段，我们可以在小鼠大脑中人工插入一段关于气味A的记忆，使在未经历气味A嗅觉的条件下产生对气味A的奖赏性或厌恶性。
图4 光激活M72与光激活LDT-VTA配对建立条件性奖赏记忆范式
05
人工插入记忆与实际记忆由相同神经环路编码
上文已知，人工插入记忆与实际记忆引起小鼠相同的行为学反应，接下来作者探究这两种记忆是否由相同神经环路所编码。他们重复上文的范式，一组小鼠以气味A作为CS，足底电击作为US，将其配对；另一组小鼠以光激活M72作为CS，光激活LHb-VTA作为US，将其配对（图5a-b）。训练小鼠后，他们在18个嗅觉相关或联想记忆相关脑区中检验c-Fos的表达以表征这些脑区的激活状态，发现两组小鼠中这些脑区的激活水平相似（图5c-e），表明人工插入记忆与实际记忆激活相同神经环路。此外，他们发现同比于只经历CS训练的小鼠，经历CS+US训练的小鼠大脑中只有基底外侧杏仁核（BLA）的激活水平显著提升（图5f-i），表明BLA很可能参与此范式中的联想记忆功能。
图5人工插入记忆与实际记忆由相同神经环路编码
06
BLA参与条件性厌恶记忆的重提取
为证实BLA参与联想记忆的重提取过程，作者在小鼠BLA中注射AAV-hM4Di（图6a,f），再次使用上文中的行为学范式，以气味A或光激活M72作为CS，足底电击或光激活LHb-VTA作为US，将其配对（图6b,g）。第二天记忆检测前1小时注射C21以抑制BLA脑区，发现抑制BLA后，两种范式中小鼠均不再对气味A产生厌恶性（图6c-e, h-j），表明BLA在条件性厌恶记忆的重提取过程中具有必要性。
图6 BLA在条件性厌恶记忆的重提取过程中具有必要性
总
结
经历，是记忆的重要因素。但是我们的脑海中也时常会浮现出未经历的场景，这些记忆仿佛真实存在。神经生物学研究表明，一段经历会改变我们的大脑以产生记忆印迹。那么，如果在无经历条件下对大脑进行相同的改变，是否会插入相同的记忆呢？我们尚未可知。本篇文章结合转基因小鼠、光遗传学、化学遗传学、行为学等方法，在小鼠大脑中人工插入一段记忆，可诱导小鼠在无经历条件下产生对苯乙酮的厌恶性或奖赏性记忆，人工插入记忆与实际记忆由相同环路编码，其中BLA为重提取此记忆的必需脑区。该研究首次实现无经历条件下人工插入记忆，使“隔空传功”成为了可能，为治疗幻想症等精神疾病提供有力支持。也许未来有一天，我们将不再上课，而是通过某种机器改变一些脑区的活性，然后便可瞬间学会新的知识.
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参考文献:
[1] Josselyn, S.A., S. Kohler, and P.W. Frankland, Finding the engram. Nat Rev Neurosci, 2015. 16(9): p. 521-34.
[2] Vetere, G., et al., Memory formation in the absence of experience. Nat Neurosci, 2019.
[3] Morrison, F.G., B.G. Dias, and K.J. Ressler, Extinction reverses olfactory fear-conditioned increases in neuron number and glomerular size. Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(41): p. 12846-51.
[4] Firestein, S., How the olfactory system makes sense of scents. Nature, 2001. 413(6852): p. 211-218.
[5] Ressler, K.J., S.L. Sullivan, and L.B. Buck, Information coding in the olfactory system: evidence for a stereotyped and highly organized epitope map in the olfactory bulb. Cell, 1994. 79(7): p. 1245-55.
[6] Jiang, Y., et al., Molecular profiling of activated olfactory neurons identifies odorant receptors for odors in vivo. Nat Neurosci, 2015. 18(10): p. 1446-54.
[7] Lammel, S., et al., Input-specific control of reward and aversion in the ventral tegmental area. Nature, 2012. 491(7423): p. 212-7.