Nature背靠背：调控特定类型记忆存储的神经元亚群进一步被鉴定，聚焦杏仁核和海马
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撰文 | Qi
来源 | BioArt
为了在“险象环生”的自然界中生存，动物必须要学会识别并对危险信号的刺激做出防御响应，同时也要学会在预测安全的信号提示下抑制恐惧反应【1】。对情绪记忆生物学基础的理解对于开发例如创伤后应激障碍（post-traumatic stress disorder, PTSD）等的记忆障碍治疗十分关键【2】。中央外侧杏仁核（centrolateral amygdala, CeL）是神经回路中介导防御反应的重要节点，并且是处理和存储威胁记忆的关键脑区【3】。现如今，神经元已经进化为可以在毫秒级的时间范围内动态地响应其环境，并且可以在更长的时间内稳定地存储信息，而记忆过程中信息的稳定储存需要从头翻译（de novo translation）。
近日，来自纽约大学神经科学中心的Eric Klann课题组在Nature杂志上发表了一篇题为 Amygdala inhibitory neurons as loci for translation in emotional memories 的文章，作者针对小鼠中央外侧杏仁核的抑制性神经元，阻止对真核生物起始因子4E（eukaryotic initiation factor 4E, eIF4E）和真核生物起始因子2α磷酸化（phosphorylation of eukaryotic initiation factor 2α, p-eIF2α）敏感的细胞类型特异性翻译程序，表明在中央外侧杏仁核中表达生长激素抑制素（somatostatin, SOM）的抑制神经元中的从头翻译对于条件性恐惧反应的长期存储是必要的，而表达蛋白激酶Cδ（protein kinase Cδ, PKCδ）的抑制性神经元中从头翻译对于存储条件性安全反应是必要的。这一研究为从头蛋白合成在中央外侧杏仁核中不同抑制性神经元群体中对长期记忆巩固的作用提供了新见解。
首先，作者开发了足底电击预测提示音（paired conditioned stimulus, CS+）以足底电击终止（unconditioned stimulus, US）和无电击安全提示音（CS-）交错进行的差异条件性恐惧实验（differential threat-conditioning paradigm）。对照组（box-only）仅被放置在训练环境中而不予以刺激，未配对（unpaired）训练组则以混乱顺序暴露于所有三个刺激（CS+, CS-, US），而配对（paired）训练组则以固定顺序暴露于上述三个刺激中（见图1）。与未配对组相比，配对组中的小鼠在训练过程中了解三中刺激的关联，因而显示出对连续CS呈现的冻结反应（freezing response）的升级。当对小鼠进行长期记忆（long-term memory, LTM）测试时，配对组小鼠对CS+表现出高度冻结样反应，同时抑制了对CS-的反应。
在此过程中对杏仁核的生化分析表明，仅在配对组中出现mTORC1的激活（与帽依赖性翻译启动相关），而eIF2α的去磷酸化在配对和未配对组中都发生，提示不同通路控制与捕捉电击经历和音调-电击相关的翻译程序。接下来，作者重点研究表达SOM或PKCδ的抑制性神经元（inhibitory neurons, IN）群体，这两种成分分别约占中央外侧杏仁核中所有神经元的一半，且在很大程度上是不同的。配对组的SOM和PKCδ INs中，核糖体蛋白S6的Ser 235/236位点磷酸化水平相较于另外两组而言明显增加，这表明mTORC1通路被激活。
接下来，作者想知道抑制CeL INs亚型中的帽依赖翻译是否对长期恐惧记忆存在影响，设计出一种可以稳定敲低SOM和PKCδ INs中eIF4E的策略，这一策略可以大幅减少eIF4E蛋白水平并抑制CeL INs中的从头翻译。作者在一个简单的音调预示电击的恐惧条件范式中训练SOM.4Ekd和PKCδ.4Ekd小鼠（SOM Ins和PKCδ INs中eIF4E敲低小鼠），所有小鼠均等效地学习CS-US关联，而只有SOM.4Ekd显示出LTM明显不足。当给予14天的强力霉素喂养（恢复eIF4E表达），依照相同方案训练，此时LTM得以完全缓解。随后，在这两种小鼠模型中完成差异条件性恐惧范式（方案见图1），发现PKCδ.4Ekd小鼠尽管对CS+的条件威胁反应正常，但对CS-的条件安全反应表现出损伤。这些结果表明，抑制SOM和PKCδ INs中帽依赖性翻译会分别导致条件性威胁和安全响应的选择性损伤。
随后，作者构建SOM.iPKR和PKCδ.iPKR小鼠，通过在体内注入IPKR的药物诱导剂ASV，可以显著增加CeL中SOM和PKCδ INs中eIF2α（S51）的磷酸化水平。将SOM.iPKR和PKCδ.iPKR小鼠暴露于差异条件性恐惧范式下，训练后立即将ASV注入CeL中。尽管所有小鼠在训练过程中均接受等效学习，但SOM.iPKR和PKCδ.iPKR小鼠的记忆缺陷却明显不同。SOM INs中通过增加eIF2α磷酸化来阻止一般翻译会削弱对CS+的冻结反应，同时保持完整的安全响应和提示识别性。另一方面，用PKCδ INs中增加的eIF2α磷酸化来阻断一般翻译会导致安全响应和提示识别性受损，在 LTM期间对CS+的冻结反应没有降低。这些结果表明，同时巩固持久的威胁和安全响应，需要CeL中不同INs群体的从头蛋白质合成。
先前已有研究报道，通过对编码eIF2α激酶的基因进行组成性缺失或通过施用激活eIF2B的ISRIB，来缓解翻译抑制从而增强长期的空间记忆和恐惧记忆【4】。在这项研究中，在简单条件性恐惧范式和差异条件性恐惧范式中，CeL SOM INs中eIF2和eIF4E依赖的翻译程序对于条件性恐惧响应是必要的，这表明SOM INs是存储条件性恐惧记忆的主要CeL位点。相反但作为补充的是，PKCδ INs中的从头翻译可用于存储条件性安全响应。
总体而言，这项研究支持以下工作模型，即CeL SOM和PKCδ INs通过改变细胞翻译环境分别同时存储威胁和安全提示相关的记忆，值得注意的是，安全响应受损导致的恐惧泛化（threat generalization）是PTSD的标志性特征。这项研究可能提供了截至目前首个证据，证明CeL中离散的IN亚群中蛋白质合成的破坏会削弱与恐惧和安全相关的联想记忆，这可能导致诸如PTSD记忆障碍的适应不良行为。
与上篇文章类似的，在同期Nature杂志上，来自以色列海法大学的Kobi Rosenblum课题组和来自加拿大麦吉尔大学的Nahum Sonenberg课题组合作发表题为 eIF2α controls memory consolidation via excitatory and somatostatin neurons 的文章， 该研究发现学习过程可以减少海马体兴奋性神经元和表达生长激素抑制素（somatostatin，这篇研究中简写为“SST”）的抑制性神经元中eIF2α的磷酸化（p-eIF2α），而p-eIF2α的消融可以增强突触可塑性及长期记忆，提出eIF2α依赖的翻译程序会通过兴奋性和表达SST抑制性神经元的自主机制来调控记忆巩固事件。
为确认哪些神经元亚型介导减少的p-eIF2α对记忆形成的影响，作者首先检测在学习行为过后哪些神经元中p-eIF2α的数量减少。在对小鼠进行条件性恐惧行为测试后，对其大脑进行固定染色，结果显示兴奋性神经元和SST+神经元中的p-eIF2α大量减少，且这两种神经元中蛋白质合成明显增加。
随后，作者为确认学习和记忆过程中p-eIF2α在不同神经元亚型中缺失的后果，分别构建出兴奋性和抑制性神经元p-eIF2α消融的转基因小鼠。结果显示，减少兴奋性神经元中的p-eIF2α可以增强长期记忆，且促进兴奋性增加和锥体神经元抑制性突触输入的减少，降低诱导持续突触增强的阈值，并促进早期长时程增强（Early long-term potentiation, E-LTP）向晚期长时程增强（Late long-term potentiation, L-LTP）的转化。此外，通过对兴奋性神经元特异的翻译谱分析和一般蛋白质组学分析，可以发现由p-eIF2α消融引起的兴奋性神经元的翻译变化与学习诱发的变化高度相似；而蛋白质组学数据显示轴突导向相关的蛋白质水平在p-eIF2α消融组和学习组存在差异。类似地，不仅兴奋性神经元中蛋白质合成的调节影响记忆巩固，作者通过实验验证所有GABA能神经元中p-eIF2α消融也有助于记忆巩固，且足以将瞬时E-LTP转化为持续的L-LTP。此外，p-eIF2α消融可以增强SST+抑制性神经元的翻译水平及突触可塑性。
总的来说，记忆和突触可塑性的巩固早已被定义为蛋白质合成依赖性现象，可以由p-eIF2α或其他信号通路（如mTORC1）参与调节【5】。这两项研究分别通过多种实验手段对中央外侧杏仁核和海马体不同神经元亚群进行分析，确认与不同类型记忆（如条件性恐惧记忆，条件性安全记忆等）相关的神经元亚群，也进一步完善了神经元类型特异性的对记忆巩固的翻译调控机制。
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原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2793-8
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2805-8
参考文献
1. Fendt, M. & Fanselow, M. S. The neuroanatomical and neurochemical basis of conditioned fear. Neurosci. Biobehav. Rev. 23, 743–760 (1999).
2. Jovanovic, T. et al. Impaired fear inhibition is a biomarker of PTSD but not depression. Depress. Anxiety 27, 244–251 (2010).
3. Haubensak, W. et al. Genetic dissection of an amygdala microcircuit that gates conditioned fear. Nature 468, 270–276 (2010).
4. Sidrauski, C., McGeachy, A. M., Ingolia, N. T. & Walter, P. The small molecule ISRIB reverses the effects of eIF2α phosphorylation on translation and stress granule assembly. eLife 4, e05033 (2015).
5. Sonenberg, N. & Hinnebusch, A. G. Regulation of translation initiation in eukaryotes:mechanisms and biological targets. Cell 136, 731–745 (2009).
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