Science重磅 | 实现对记忆的操纵——利用光遗传学清除记忆
▉ 研究背景
《盗梦空间》这部科幻片剧情讲的是从他人的潜意识中盗取机密，并通过构建情景重塑他人梦境的故事。这里的潜意识即记忆，记忆真的可以重塑吗？首先，我们弄清楚什么是记忆？记忆是指哺乳动物身边出现新事物时，会对其学习或者经历的情景，形成瞬时记忆或短期记忆，而将暂时的、不稳定的记忆转变为更稳定、更持久的状态的过程即记忆巩固。这种更稳定的记忆在大脑中的表现被称为记忆印迹，形成长期记忆，据研究报道长期记忆与长时程增强(long-term potentiation, LTP)在睡眠期间巩固记忆相关。
在哺乳动物的大脑中，海马体是情景记忆（episodic memory）形成系统的关键节点，随后转移到大脑皮层，以便长期存储加强记忆巩固过程。从神经-分子机制上来看，记忆的形成都体现为神经元之间连接的形成或协同。有人提出神经元突触可塑性可能是学习的基础，它被认为在记忆巩固中起着关键作用，然而，突触可塑性发生的地点和时间，以及突触可塑性如何塑造神经元表征这一更复杂的问题，在很大程度上仍然未知。
来自日本京都大学医学院和RIKEN脑科学研究所的Hayashi课题组使用小鼠大脑展示了一种新的神经光学系统来操纵记忆， 利用光遗传学在一个特定的时间窗口内选择性地消除LTP，从而使其不能形成稳定的长期记忆，即操纵记忆消除。相关研究结果发表在2021年11月12日的Science期刊上。
图源：https://www.kyoto-u.ac.jp/en/researc h-news/2021-11-17
Hayashi课题组在2014年发现结构LTP（sLTP）诱导可以促进cofilin（CFL，一种F-肌动蛋白侧结合蛋白）-肌动蛋白的相互作用，当CFL以高化学计量比结合F-肌动蛋白时，它会形成cofilactin，从而稳定F-肌动蛋白。其成果发表在《Neuron》期刊上，Structural and molecular remodeling of dendritic spine substructures during long-term potentiation。因此，作者在前面成果基础上假设灭活CFL会导致树突棘内cofilactin结构的不稳定，从而选择性清除sLTP。而如何实现这种特异性的清除sLTP呢？
研究人员采用了基因编码的光敏剂蛋白SuperNova (SN)，SN能使活细胞中特定分子的发色团辅助光灭活(CALI)。在特定波长的照射下，SN会产生活性氧，使其融合的蛋白质失活。在海马切片培养物中CA1锥体神经元中表达CFL与SN融合蛋白（CFL-SN）与CFL- GFP和作为体积填充剂的DsRed2共表达，通过在sLTP诱导CALI 10 min后，CFL-GFP的富集和体积的增加都被逆转。
说明CFL-SN的CALI可以通过破坏该结构和恢复肌动蛋白周转来有效逆转sLTP。
接下来，研究人员在小鼠活体实验中检测是否可以清除其记忆以及是否与时间相关。通过在CaMKIIα-Cre小鼠海马背侧CA1双侧注射AAV病毒，特异性表达CFL-SN，并在注射区域上方植入光纤。
使用抑制性回避（IA）学习范式评估记忆，在这项任务中，老鼠被放置在一个分隔室的明亮一侧，他们通常在门打开后30秒内越过黑暗面，在那里他们受到了足部电击。对照组（未注射病毒或光照）在第2天向黑暗面显示出较长的交叉潜伏期，而在电击2 min后接受CALI表达CFL-SN的小鼠的潜伏期明显更短，表明记忆形成被破坏。同一只老鼠在第2天没有继续CALI的情况下受到电击并在第3天进行测试后能够形成记忆，排除了对神经元功能的任何非特异性干扰。同样，表达CFL-SN的动物在没有光照的情况下也形成了强大的记忆，排除了CFL-SN的过度表达观察到效果的可能性。而且CALI不同时间点被触发，在电击后20 min内进行CALI时，记忆力明显受损。然而，在将动物放入IA室电击前1 min或1 h后进行光照时，记忆力并未受损。
为了测试受损记忆的环境特异性，研究人员准备了两个在大小、地板纹理、视觉线索、照明颜色和气味上不同的IA环境（图2E）。小鼠首先在没有CALI的环境A中接受训练。2 h后，小鼠被放置在环境B中，它们显示出较短的交叉延迟，表明它们可以充分区分环境B和环境A。交叉后，小鼠被电击，随后进行CALI；
第二天，当返回环境B时，接受CALI 的小鼠显示出更短的交叉延迟，表明环境B的记忆被清除。然而，当置于环境 A中时，相同的小鼠具有与未接受CALI的对照小鼠相似的交叉延迟，这表明可以选择性地损害特定环境下的记忆。
然而，这种记忆清除的持续性是怎么样呢？研究人员为了确定这一点，在小鼠返回笼子后每 20 min（CFL-SN系统的时间分辨率）光照海马，从电击后2 h开始并持续8 h。在持续的光照条件下，发现其记忆被完全清除。当同一组小鼠在第2天再受到电击并在第3天进行测试时，这些动物又表现出正常的记忆力，排除了非特异性组织损伤。
为了进一步缩小LTP的时间窗口，在第一个或第二个4 h内提供光，记忆仍然被清除，但在两个时间窗口中都被清除了较小的程度。由于局部海马LTP在电击后8 h内促进记忆形成，接下来测试了LTP-offline是否会持续数天，研究人员仅在第2天照亮了海马体，但没有观察到记忆力下降，表明LTP-offline在学习后延长了2 h以上，但巩固过程仅限于在海马体内一天。
作者还分析这个过程究竟是发生在清醒还是睡眠期间，分别在清醒或睡眠期间分别触发至少20 min CALI达到清除记忆的作用，然而发现记忆力受损只发生在睡眠期间，清醒期间给予相同刺激并无明显影响，而且第2天再给前一天睡眠期间执行了CALI的小鼠新的电刺激时，记忆又重新形成了，说明这个记忆清除只是特异性的清除一部分记忆，且是只在睡眠中有效，而且并未完全损伤其后续的记忆功能。
既然记忆巩固在海马中发生，且有效期只有一天，那巩固后的记忆又存到哪里呢？研究人员通过关注前扣带皮层 (ACC，在远程记忆的回忆过程中被激活) 来更好地理解记忆转移到皮层的过程，通过病毒注射方法在ACC兴奋性神经元中表达CFL-SN，并在ACC上方双侧植入光纤。
首先，作者探索了ACC内突触可塑性的时间窗口，与前面在海马中表达的处理一样，即ACC中CALI在电击2 min后，或者每 20 min触发CALI一次，持续8 h（从电击后2 h开始），发现并不会损害记忆表达。相比之下，当第2天每 20 min给一次CALI并在第3天评估记忆时，研究人员观察到强烈的记忆消除；研究人员又做了在给予电刺激的第2 天和第3 天都没有给予海马和ACC区域CALI，而是第25天进行CALI操作，发现其记忆并没有损伤，只有当ACC中的CALI光照限制在第 2 天的睡眠期时，记忆才能有效地消除，而清醒期则不能消除，表明ACC的可塑性发生在学习后1天，并且很可能反映了其机制即记忆从海马体转移到ACC。
▉ 总结
总的来说， Hayashi课题组通过光遗传学方法特异性地抑制cofilin（CFL），一种对突触功能至关重要的蛋白质，以空间和时间限制的方式针对性地光学消除局部LTP，清除记忆的功效，而且不会改变基础记忆或干扰未来的LTP，即不会影响后续的记忆功能。
这项新技术提供了一种在细胞水平上隔离大脑中时间和空间记忆形成的方法。而与记忆和学习障碍（如阿尔茨海默病）以及精神疾病（如精神分裂症）都是与related-LTP的突触异常有关，这项发现将提供一系列精神障碍治疗方法。目前在小鼠上，通过一定手段确实可以实现记忆消除的功能，而《盗梦空间》通过将记忆情景还原成图像以及记忆重塑涉及到的神经学科机制以及与其他学科交叉值得大家更进一步的研究和思考。
参考文献：
Goto A, Bota A, Miya K, Wang J, Tsukamoto S, Jiang X, Hirai D, Murayama M, Matsuda T, McHugh TJ, Nagai T, Hayashi Y. Stepwise synaptic plasticity events drive the early phase of memory consolidation. Science. 2021 Nov 12;374(6569):857-863. doi: 10.1126/science.abj9195. Epub 2021 Nov 11. PMID: 34762472.
编辑人：宁帅同学
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