Cell经典回顾| 海马下托（Subiculum）在记忆的形成与提取中扮演重要角色

2017年，Dheeraj S. Roy等在Cell上阐述了海马下托（Subiculum, Sub）在记忆的形成与提取中扮演的重要角色，研究发现记忆的提取主要被CA1经由dSub到EC5这条环路调控，而记忆的形成则需要CA1到EC5的直接投射（图1）。

图1. 左图展示了海马不同分区间的结构位置       右图展示了海马不同区域参与记忆的模式图

既然要研究背侧海马下托区（dSub）的神经环路，文章首先将两种病毒注射在背侧海马下托区（dSub），一种可以被Cre诱导的仅带有绿色荧光标签eGFP的腺相关病毒AAV，可以在一个神经元内进行神经示踪，另外一种是带红色荧光标签mcherry的狂犬病毒RV，可以在一个神经元内进行从轴突到胞体的逆行示踪。结果得到了dSub脑区上下游的投射关系，即海马CA1区直接支配dSub（图2）。

图2. 海马的CA1区直接支配背侧海马下托区dSub

接下来，作者设计了关联条件恐惧的行为学（contextual fear conditioning，CFC），通过足部电击的疼痛刺激让小鼠学习到电击刺激与周围环境间的关系，相当于训练出小鼠的一种恐惧性的回忆。然后通过AAV病毒载体在上述环路脑区表达抑制性的光敏蛋白eArch，或兴奋性的光敏蛋白ChR2，再运用光遗传学手段，人工激活或抑制不同的神经环路，结果显示，dSub脑区的不同投射调控记忆提取以及回忆引起的应激反应，CA1到EC5的直接投射调控记忆的形成而不是提取过程（图3）。

图3.  研究CA1和dSub脑区的活性在小鼠训练和回忆过程中的变化

为了进一步在细胞水平明确小鼠在发生关联条件恐惧（CFC）回忆时，到底是哪一些神经元起作用，作者构建了两个AAV病毒的系统（c-fos-tTA和TRE-H2B-GFP），将这两个病毒混合注射某个脑区，只有当神经元表达c-fos时（神经元兴奋）才会发出绿色荧光GFP，这样就可以用荧光的亮度，来表示神经元在发生回忆时的兴奋与否（图4）。结果显示，dCA1区和dSub区域的神经元在记忆的编码和提取过程中都发生了兴奋。

图4.  分别在海马的CA1和dSub区域检测神经元的兴奋情况

接下来，他们将Cre依赖的GCaMP6f病毒注射在FN1-Cre和WFS1-Cre小鼠的右侧海马中。1个月后，在背侧dSub脑区或者CA1脑区背侧埋植直径约1mm的lens。再过1个月，将微型摄像机安装在埋植好的lens之上，小鼠需要适应实验环境以及lens装置2周时间。一系列的准备之后，他们便开始dSub脑区或CA1脑区钙信号的采集。在旷场（open field）行为学范式中，CA1脑区展现出均一性激活方式，而dSub脑区则表现为2种不同激活方式共存，一种是和CA1脑区类似的short-tail方式，另一种是持续激活长达15s的long-tail方式（图5）。

图5. dSub脑区或CA1脑区的钙信号采集示意图

在旷场实验中，dSub神经元会比CA1神经元在更多的位置激活，展现出更宽的位置野（图6）。对于条件化恐惧（contextual fear conditioning）行为学范式，在训练过程和回忆过程中，小鼠CA1脑区被激活的神经元比例均有提高，而小鼠dSub脑区的神经元则特异性的在回忆过程中被激活。为了排除运动带来的影响，他们又将训练、回忆过程细分为非恐惧时期（NF）和恐惧时期（F）。CA1脑区的钙信号在训练时的恐惧时期显著性强于非恐惧时期，而在回忆阶段两者并无差异。而dSub脑区的钙信号只是在回忆阶段显著性的提升，并不受恐惧、非恐惧时期的影响，真正被恐惧回忆所激活的是dSub脑区中的long-tail神经元（图7）。这一部分结果与前文c-fos信号的结果一致，并阐明了CA1脑区和dSub脑区在记忆形成与提取过程中的不同作用。

图6. CA1脑区和dSub脑区的位置野钙信号、热图以及CFC中的钙信号活性情况

通过这篇文章我们知道海马内嗅皮层神经元以及它们之间的环路如何调控记忆的形成以及记忆的提取过程。文章使用的神经元示踪技术、光遗传学技术，钙离子成像技术正是该文章的亮点。下面是文章中构建的AAV病毒载体以及基因编辑动物，吉凯均可构建：

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封面图片 © Diesel's Daughter

参考文献：

Dheeraj S. Roy, Takashi Kitamura, Teruhiro Okuyama, Sachie K. Ogawa, Chen Sun, Yuichi Obata, Atsushi Yoshiki, Susumu Tonegawa. Distinct Neural Circuits for the Formation and Retrieval of Episodic Memories. Cell, 2017; DOI: 10.1016/j.cell.2017.07.013 

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