Science︱记忆如何被抹除？一种新的操纵记忆的神经光遗传学方法

撰文︱付慧敏

责编︱王思珍

文字勘误：震惊更足部电击，脊柱更树突棘

情景记忆（episodic memory）最初编码在海马体中，随后被转移到大脑皮层等区域，该过程的长期存储称为记忆巩固（memory consolidation）[1]。研究显示，突触可塑性（synaptic plasticity）可能是学习的基础，而学习在记忆巩固中起着关键作用[2]。然而，突触可塑性在何时何地发生、以及如何形成神经元表征，仍不清楚。

2021年11月11日，日本京都大学的Yasunori Hayashi教授课题组在Science上发表了题为“Stepwise synaptic plasticity events drive the early phase of memory consolidation ”的研究论文。课题组开发了一种新的神经光遗传学方法，能够选择性地消除记忆——长时程增强，以一种精确的方式来检测和修改突触可塑性。他们发现突触可塑性的不同阶段发挥着不同的作用，从而证明了记忆巩固早期阶段可塑性事件的精确定位、时间和特征贡献。

以往的研究证明了长时程增强（long-term potentiation，LTP）的早期阶段与树突棘内肌动蛋白的快速聚合有关，其作用是扩大树突棘的结构，即增强结构性的LTP（sLTP），同时，F-actin（F-肌动蛋白）侧链结合蛋白cofilin（丝切蛋白）聚集于脊柱头部底部位置，sLTP的诱发可促进cofilin与肌动蛋白的相互作用，这与cofilactin（丝状肌动蛋白）的形成过程一致[3]（补充：cofilin蛋白是肌动蛋白解聚因子家族成员之一，具有调控细胞骨架动态变化、有丝 分裂、细胞外基质粘附以及细胞伪足形成等多方面的功能）。因此，作者假设cofilin的失活会导致树突棘内cofilactin的结构失稳，从而允许选择性地清除sLTP。作者通过使用基因编码的光敏剂蛋白SuperNova，其允许活细胞内特定分子的发色团辅助光失活（CALI）。首先，发现，cofilactin结构（稳定）维持了sLTP诱导后的脊柱体积的增加，若使cofilactin结构失稳和恢复肌动蛋白降解，cofilin失活（即cofilin的CALI）可以有效逆转sLTP（图1 A-C）。其次，LTP后光激活cofilin 10分钟后或sLTP诱导30分钟后，光激发CALI（即cofilin失活）能有效减少脊柱体积增加，但这种效应在50分钟后并不明显。在未诱导sLTP的脊柱中触发CALI，脊柱体积无明显变化；在sLTP诱导前1分钟触发CALI，对sLTP后续的表达也没有影响，这显示CALI后同一脊柱sLTP减少仍然是有可能发生的，而这一过程不会造成脊柱永久性损伤，只是暂时破坏了与脊柱相关的可塑性（图1 D-F）。并且CALI能够选择性地清除已有的LTP，而不干扰任何未来的可塑性事件。

图1 光学抹除sLTP（cofilin：CFL，SuperNova：SN）

（图源：Goto et al., Science 2021）

那么cofilin的CALI是否能够抹除LTP，以及正常动物的记忆是否可以被抹去呢？研究发现，在没有光照的情况下，表达cofilin的动物在经历“震惊（shock）”后激发CALI会破坏记忆形成，同样的小鼠在第2天没有CALI刺激后能够形成记忆（图2 C）。在震惊后的不同时间点触发CALI，他们发现在震惊后20分钟内诱导CALI，记忆明显受损（图2 D）。在2种不同抑制性回避学习范式（行为学试验）中，小鼠交叉训练学习后：无CALA范式A→有CALA范式B→无CALA范式B→无CALA范式A，发现有CALA范式B小鼠第二天在无CALA范式B中表现记忆被抹除，而其第二天在无CALA范式A中的记忆情况与对照组（无CALA）无差别（图2 E）。这些结果表明，cofilin的CALI能够特性地使小鼠上下文特异性记忆出现一定程度的受损，即小鼠记忆被抹除。

图2 用CALI光学擦除记忆

（图源：Goto et al., Science 2021）

与记忆形成相关的海马神经元活动模式随后在动物静止或睡眠时被离线LTP回放，这一过程被认为是记忆巩固的基础[4]。在长期学习后，在局部海马中是否会诱导离线LTP？研究发现，在老鼠回到笼子后经历震惊后2小时开始反复光触发CALI（每20分钟一次，共持续8小时）导致记忆完全被消除（图3 A）。且离线LTP在学习后会延长超过2小时，但在记忆巩固过程中，其仅在海马体内维持一天（图3 B）。海马回放（hippocampal replay），指在睡眠或清醒期间，一种细胞活动再次发生的现象，在记忆巩固中发挥重要作用。小鼠在清醒或睡眠期间分别触发CAL1至少20分钟，作者发现在睡眠中触发CALI时，记忆会受损；在清醒期间触发CALI对记忆无影响（图3 C）。随后，对两种形式的LTP（即在事件期间或之后的在线LTP和随后睡眠期间发生的离线LTP）在海马体表征中的作用进行了探究，当经历震惊后抹除在线LTP，小鼠CA1神经元对测试室的选择性没有增加；而震惊后抹除离线LTP并没有损害增加的测试室选择性（图4）。这两种形式的LTP在学习后同步活动中都发挥重要作用，通过离线CALI可以消除选择性评分和同步活动之间的因果关系。这些结果表明海马在线LTP和离线LTP在记忆印记形成中发挥不同的作用。

图3 睡眠期间海马体中的离线LTP是记忆所必需的

（图源：Goto et al., Science 2021）

图4 在线和离线LTP对海马表征形成的不同作用

（图源：Goto et al., Science 2021）

最后，他们探究了前扣带皮层（anterior cingulate cortex，ACC）内突触可塑性的调节过程。与海马中的CALI相比，ACC中的CALI在震惊后2分钟被触发或震惊后2小时开始触发（每20分钟一次，持续8小时）时，记忆表达不会损坏。当在第2天诱导CALI（每20分钟一次，共8小时），在第3天进行记忆评估时，记忆被强烈消除；但在第25天时并非如此。在第2天睡眠或清醒状态时触发ACC中的CALI，记忆只能在睡眠期间有效消除（图5）。这表明ACC的可塑性发生在学习后1天，很可能反映了记忆从海马体转移到ACC的机制。换言之，睡眠时清除ACC中的LTP会损害小鼠第二天的记忆， ACC具有与海马不同的记忆时间（即LTP时间）窗口。 

图5 前扣带皮层有一个与海马体不同的LTP时间窗

（图源：Goto et al., Science 2021）

文章结论与讨论，启发与展望

本研究开发了一种新的通用的光遗传学方法，允许在一定空间和时间尺度上特异性地以光遗传学擦除记忆——长时程增强（LTP），而不影响基础记忆传输和未来LTP。尽管其他工具，如AS-PARac、PA-AIP和伊红标记的AMPA受体抗体，也可以去除LTP[5-7]，相比之下，本研究中建立的新方法的优势在于，能够去除LTP的早期阶段、有更宽的干预时间窗口、更有效地在体内操纵记忆。虽然该工具没有直接显示用于与学习相关的sLTP，但它可以通过结合体内成像识别记忆巩固过程中经历突触可塑性的脊柱。

海马LTP以两种不同的时间过程发生：学习后的立即在线LTP和睡眠期间的离线LTP。这两个过程有不同的作用：在线LTP建立了神经元放电的选择性[8]，而离线LTP主要负责这些神经元招募到重复的同步放电中。本研究显示这种同步活动诱导了神经元中进一步的LTP，从而有助于稳定编码事件抽象特征的新生记忆图。

在海马体的两次LTP后，在第二天睡眠期间前扣带皮层（ACC）发生第三次LTP，这是记忆系统巩固所必需的。在此研究中，ACC可塑性的逆转在第2天后已经损害了记忆，这表明即使在记忆系统巩固的早期，ACC也可以在记忆回忆中发挥作用。在睡眠期间，ACC的突触可塑性也很可能是由海马回放介导的。睡眠期间的海马回放中断已被证明会损害依赖于记忆的任务表现[9]；然而，诱导ACC可塑性的机制仍有待阐明。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9195

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参考文献（上下滑动查看）  

【1】S. Tonegawa, M. D. Morrissey, T. Kitamura, Nat. Rev. Neurosci.19, 485–498 (2018).

【2】J. Z. Tsien, P. T. Huerta, S. Tonegawa, Cell 87, 1327–1338 (1996).

【3】M. Bosch et al., Neuron 82, 444–459 (2014).

【4】K. Ghandour et al., Nat. Commun. 10, 2637 (2019).

【5】A. Hayashi-Takagi et al., Nature 525, 333–338 (2015).

【6】H. Murakoshi, H. Wang, R. Yasuda, Nature 472, 100–104 (2011).

【7】K. Takemoto et al., Nat. Biotechnol. 35, 38–47 (2017).

【8】K. Z. Tanaka et al., Science 361, 392–397 (2018).

【9】G. Girardeau, K. Benchenane, S. I. Wiener, G. Buzsáki,M. B. Zugaro, Nat. Neurosci. 12, 1222–1223 (2009).

制版︱王思珍

本文完