J Neurosci︱梅林实验室揭示产生尖波涟漪和空间工作记忆所必须的信号通路：NRG1/ErbB4

撰文︱谭志兵

责编︱王思珍

学习记忆（learning and memory）是人或动物对外界环境信息的一种认知和存取过程，海马（hippocampus）脑区在学习记忆中起着关键作用。海马结构和功能的异常会导致学习记忆受损。例如著名的双侧海马切除的癫痫病人H.M.在术后无法形成新的记忆，而海马萎缩的阿尔兹海默病人出现近期遗忘，学习记忆困难[1, 2]。记忆各种各样，其中空间记忆使个体记住所在的位置以及物体之间的空间关系，由海马中的位置细胞编码[3] 。

海马的局部场电位（local field potential，LFP）在幅度和频率上和动物特定空间中的运动状态呈现出非常有意思的相关性，当动物运动时LFP表现为低幅高频，而当动物静止时（包括睡眠）LFP则呈现出高幅低频而且不规则[4, 5]。有趣的是，Vanderwolf等人发现海马LFP会间或出现一种大幅度负朝向的波形，持续时长约40-100 ms，称为尖波（sharp waves）[6]。O’Keefe等人随后发现尖波会伴随有一个短暂高频的振荡事件（啮齿动物：140-200 Hz，灵长目动物和人类：80-140 Hz），称之为涟漪（ripples）[7]。由于尖波和涟漪通常同时发生，故合称为尖波涟漪（sharp wave ripples，SW-Rs）。尖波涟漪主要起源于海马的CA1椎体层，研究表明反映空间轨迹的神经元在尖波涟漪期间以时间压缩的方式重新激活，这一特性提示它在空间学习记忆中的重要作用[8]。当尖波涟漪的产生受到干扰时会损害空间学习记忆的形成，反之增加尖波涟漪的时长则有助于空间学习记忆[9, 10]。然而调节尖波涟漪的分子机制还不清楚。

Neuregulin 1（NRG1，神经调节素）是一个含有EGF功能域的营养因子，可激活其跨膜络氨酸激酶受体ErbB4。美国凯斯西储大学神经科学系的梅林实验室多年来致力于研究该通路在大脑中的作用。他们的工作发现NRG1/ErbB4在发育过程中促进GABA神经环路的形成，发育后则维持正常的GABA释放，进而调节突触传递和可塑性[11, 12]。NRG1主要表达在兴奋性神经元中，它的生成和分泌依赖神经元的活动。与之相反的是，NRG1的受体ErbB4在海马、皮层和杏仁核中几乎都表达在GABA能的中间神经元[13]。当NRG1与ErbB4结合之后，会激活ErbB4络氨酸激酶，促进抑制性神经递质GABA的释放，从而抑制兴奋性神经元的活动并干扰突触长时程增强（LTP）的形成，对工作记忆、恐惧记忆和注意力等许多大脑功能是必须的[14-17]。

近日，美国凯斯西储大学神经科学系的梅林实验室在Journal of Neuroscience上发表了题为“Neuregulin 1 and ErbB4 kinase actively regulate sharp wave ripples in the hippocampus”的文章，报道了NRG1/ErbB4信号通路在调控尖波涟漪发生中的作用，为学习记忆的研究提供了新的思路。

作者首先在离体实验中，记录了离体小鼠海马切片CA1区椎体层LFP。在得到稳定尖波涟漪信号之后，在记录系统中加入了10 nM的NRG1，结果显示NRG1使得尖波涟漪的频率显著降低，而其时长、幅度、和能量均不受影响（图1）。

图1 NRG1抑制尖波涟漪的频率

（图源：Robinson H. et al., J Neurosci, 2021）

由于缺乏ErbB4特异性的阻断药物，作者实验室不久前利用化学基因学（chemical genetics）的策略开发了一种转基因工具鼠：T796G。这种老鼠在ErbB4的ATP结合口袋（pocket）的796位点发生突变，大体积的苏氨酸（T）被突变成了小体积的甘氨酸（G），从而扩大了ATP的结合口袋（图2 A）。这个突变不影响ErbB4的功能，但是可以使得大体积的抑制剂1NMPP1进入突变的ATP结合口袋，对ErbB4产生抑制作用。之前的研究表明1NMPP1对ErbB4的抑制可以降低GABA的释放，值得一提的是，1NMPP对野生型小鼠的功能没有影响[17]。作者发现，当1NMPP1加入记录系统之后，海马切片的尖波涟漪频率显著升高（图2 B, C），说明NRG1/ErbB4通路的内源活性是产生尖波涟漪所必须的。1NMPP1也可以阻断NRG1对尖波涟漪的调节作用（图2 D），证明NRG1的作用是由于激活ErbB4络氨酸激酶而产生的。这些结果表明NRG1/ErbB4信号系统参与调控了尖波涟漪的生成。

图2 1NMPP1阻断NRG1/ErbB4信号通路增加尖波涟漪频率

（图源：Robinson H. et al., J Neurosci,, 2021）

为了研究在体（in vivo）情况下ErbB4激酶活性对尖波涟漪的影响，作者将1NMPP1注射到T796G小鼠腹腔，发现尖波涟漪的频率显著增加（图3 A-C）。有趣的是，1NMPP1对非快速动眼睡眠（NREM）和觉醒（wake）两种情况下的尖波涟漪有不一样的作用，对觉醒状态下的尖波涟漪的作用要强于非快速动眼睡眠时期的尖波涟漪（图3 D）。这些结果提示在体NRG1/ErbB4信号通路也调控尖波涟漪的生成。进一步分析单位神经元放电发现，ErbB4抑制后增加了兴奋性神经元的活性，而对中间神经元的活性没有显著影响（图3 E），提示NRG1/ErbB4通过调节兴奋性神经元的活性来调控尖波涟漪的生成。

图3 1NMPP1对尖波涟漪的增强作用依赖动物行为状态

（图源：Robinson H. et al., J Neurosci, 2021）

NRG1/ErbB4信号通路对尖波涟漪生成的调节是否会对动物行为特别是空间学习记忆产生影响？为了回答这一问题，作者采用了一种叫W-迷宫（W-maze）的行为范式。W-迷宫由于其形状像字母W而得名，它由一个中间的黑色臂以及两侧的白色臂组成，食物剥夺的老鼠需要学习从一个臂的终端依序走到相邻臂的终端以获得食物奖励（图4上）。老鼠从侧臂走到中间臂的过程（inbound）依赖参考记忆（reference memory），而老鼠从中间臂走到相邻未到访的侧臂的过程（outbound）则依赖空间学习记忆（spatial working memory）[18] 。作者发现当给T796G老鼠腹腔注射1NMPP1之后，老鼠的参考记忆不受影响，而空间学习记忆显著降低（图4下），从而证明NRG1/ErbB4信号通路对尖波涟漪的调控可能参与了空间学习记忆的形成。

图4 1NMPP1损害空间学习记忆

（图源：Robinson H. et al., J Neurosci, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望

这项工作证明NRG1/ErbB4信号通路通过上调GABA的释放，调控兴奋性神经元的活性，从而影响尖波涟漪的生成，参与空间学习记忆的形成。文章提示中间神经元活动对尖波涟漪的基础频率有着非常重要的影响。尖波涟漪对空间学习记忆有益，然而单纯、无选择地增加尖波涟漪的频率反而会损害空间学习记忆的形成，这可能和增加了基础噪音有关。尖波涟漪的形成机制非常复杂，至今没有成熟的理论来阐述其产生过程以及调控方式。这篇文章尝试从分子生物学角度对尖波涟漪的研究提供了新的思路和方向，同时揭示了NRG1/ErbB4通路的一个新的细胞生理学机制。

原文链接：https://www.jneurosci.org/content/early/2021/11/24/JNEUROSCI.1022-21.2021/tab-article-info

第一作者Heath Robinson

（照片提供自梅林实验室）

凯斯西储大学神经科学系博士生Heath Robinson为本文第一作者，梅林教授为通讯作者，研究科学家谭志兵博士，博士研究生Ivan Santiago-Marrero、Emily P. Arzola和熊文诚教授对文章做出了重要贡献。该工作得到了美国国立卫生研究院（NIH）的经费支持。

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制版︱王思珍

本文完