Nat Commun︱徐天乐/李伟广/张思宇团队合作揭示恐惧和消退记忆竞争互作的神经元集群组织规律

Original 王琪，李伟广逻辑神经科学 2023-03-10

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#恐惧 9 个

#学习/记忆/认知/智力 99 个

#创伤后应激障碍（PTSD） 4 个

#神经环路 86 个

#焦虑症 23 个

撰文︱王琪，李伟广

责编︱王思珍

编辑︱夏叶

恐惧记忆作为一种基础的、稳定的、跨物种保守的情绪记忆，是对生物体遇到危险或威胁时做出激烈防御性行为反应经历的记忆，是预警威胁和适应环境的必要条件[1]。然而，危险或威胁并不总是存在，生物体针对已有恐惧记忆进行抑制性调控实现趋利避害的生理过程被称为恐惧消退。恐惧消退过程中形成的一种针对固有恐惧记忆并与之对抗的新记忆，称为消退记忆，其与恐惧记忆之间的平衡、协调表达，是机体维持适度警觉性、因地制宜应对周围复杂环境变化的根本保障[2]。从神经机制上讲，恐惧消退是表征恐惧记忆动态调控和不同记忆之间相互作用的理想研究模型。从转化应用上讲，恐惧消退是从认知层面矫正情感障碍的有效治疗途径。临床治疗上常用的治疗创伤后应激障碍（post-traumatic stress disorder，PTSD）和焦虑症的暴露疗法，就是恐惧消退理论在医学实践中的生动例子，一些患者在治疗后表现出病理性情绪症状的显著减少[3]。通过聚焦恐惧消退的神经生物学机制，徐天乐团队于2018年刻画了从腹侧海马（ventral hippocampus, vHPC）至内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex，mPFC）长程神经环路投射突触伴随消退学习的动态适应性规律，并鉴定其分子驱动力机制[4]；2021年，针对恐惧情感障碍的难治性和复发性这一重大“痛点”问题，徐天乐团队揭示了恐惧记忆消退后重现的关键神经机制，在恐惧记忆中枢——杏仁核，揭示了恐惧消退-重现转换的场景依赖性以及感觉输入联合性的突触整合规律[5]；2022年，针对消退记忆的印迹基础，发现了以mPFC为中心的消退记忆印迹神经网络，揭示了跨脑区印迹神经连接强度的动态变化规律，为理解消退记忆脆弱性的行为学特征提供了神经生物学证据[6]。然而，在神经环路组织规则方面，机体如何选择恐惧记忆与消退记忆进行表达[7]，换言之，恐惧和消退两种记忆之间竞争互作的神经元集群组织规律还是悬而未决的关键科学问题。

按照记忆呈现全脑分布式拆分存储的基本规律[8]，恐惧记忆与消退记忆虽然在存储脑区、神经环路等方面具有较高的重叠性，但由于对同一危险事件触发线索的行为表现完全不同，说明二者各自采用了独特的神经元集群对完全相反的行为分别进行编码和加工。在过去研究中，以恐惧中枢——杏仁核为例，根据基底外侧杏仁核（basolateral amygdala，BLA）神经元对应于恐惧记忆和恐惧消退阶段条件性声音线索的反应不同，人们定义了两种类型神经元，分别为“恐惧神经元”（fear neuron）和“消退神经元”（extinction neuron）。其中，“恐惧神经元”对未消退的条件刺激（conditioned stimulus，CS）起反应，跟CS引发的恐惧行为相对应；而“消退神经元”则对已消退的CS起反应，跟CS引发的“不恐惧”（即消退）行为相对应[8]。进一步研究发现，BLA这两类神经元具有不尽相同的功能学和解剖学投射[10]。研究人员还运用基于神经活性细胞群靶向重组技术（targeted recombination in active populations, TRAP）的记忆印迹细胞标记方法，在BLA鉴定出具有特定分子标记的“消退神经元”集群[11]。遗憾的是，这两种分别依赖于神经环路投射和分子标记定义的恐惧消退神经元集群之间并无直接证据表明其对应关系，还需要进一步深入研究。这些研究从概念上证明了恐惧记忆和消退记忆采用独特的神经元集群对完全相反的行为分别进行编码和加工，但仍需对这些特征性神经元集群进行细致而充分鉴定。因此，在全脑范围内进行无偏倚标记、鉴定和分析这些神经元集群的功能和作用机制是理解恐惧和消退记忆竞争互作进而揭示大脑复杂认知功能机理的重要途径。

岛叶皮层（insular cortex，IC）对于处理厌恶性和奖赏性刺激以及协调适应性行为反应至关重要，是恐惧记忆和消退记忆的潜在调控中枢[12]。相比杏仁核的功能，人们提出，IC在调节主观感受引入认知和动机过程中发挥关键作用[13]，但是其在恐惧记忆和消退记忆中的作用仍有争议[14]。值得注意的是，最近的一项研究表明，IC通过整合来自身体的信息，对恐惧情绪进行双向调节，从而保持恐惧情绪的平衡[15]。然而，在记忆特征性的神经元集群水平，IC分别编码恐惧记忆和消退记忆的神经环路组织规则还不清楚。

2022年9月21日，上海交通大学基础医学院和国家儿童医学中心（上海）儿童脑科学中心徐天乐教授团队、张思宇研究员团队，与复旦大学脑科学转化研究院李伟广研究员等合作在Nature Communications在线发表题为“Insular cortical circuits as an executive gateway to decipher threat or extinction memory via distinct subcortical pathways”的研究论文[16]。上海交通大学基础医学院王琪博士和朱佳杰为共同第一作者。该研究综合运用行为学、神经环路示踪、神经活性捕捉原位标记、光遗传学、电生理、在体光纤记录等多种技术手段，针对威胁性恐惧记忆和安全性消退记忆协调、平衡表达的神经机制，在大脑岛叶皮层发现了分别表征恐惧记忆和消退记忆的神经元集群，并阐释了两种记忆神经元集群在“皮层间-皮层内-皮层下”等不同层面的神经环路组织规律，为理解恐惧记忆和消退记忆之间一键切换、提升对记忆复杂性本质的认识，同时也为发展面向焦虑症、创伤后应激障碍等情感障碍类脑疾病的精准干预新策略奠定理论基础。（拓展阅读：徐天乐/李伟广团队最新研究成果，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Mol Psychiatry︱李伟广/徐天乐/江帆团队合作揭示恐惧消退形成新记忆的动态印迹网络机制）

为了鉴定IC是否分布有恐惧记忆和消退记忆的神经元集群，研究人员基于TRAP技术，利用TRAP2转基因小鼠，在IC定点注射Cre依赖性表达的腺相关病毒（AAV）AAV-DIO-mCherry，实现该脑区的记忆神经元标记。待病毒充分表达后，对小鼠分别进行条件性恐惧学习或消退训练，以分别标记恐惧记忆或消退记忆神经元。标记恐惧记忆神经元时，在小鼠经过条件性恐惧训练之后，腹腔注射4-羟基他莫西芬（4-OHT）用以标记恐惧记忆习得过程中激活的IC神经元，对照组小鼠则只接受声音刺激并注射4-OHT，两组小鼠在记忆提取之后灌流染c-fos，观察IC激活的神经元数量与分布。标记消退记忆神经元时，消退记忆组小鼠在消退训练第二天结束后腹腔注射4-OHT，作为对照的恐惧提取组小鼠在只给予两次声音刺激后腹腔注射4-OHT，作为另一对照的声音线索组则全程只接受声音刺激和4-OHT，在记忆提取之后灌流染c-fos，观察IC激活的神经元数量与分布。研究人员发现，恐惧记忆习得过程中激活的IC神经元，在恐惧记忆提取过程中被再次激活，而且恐惧记忆相关IC神经元主要分布在前岛叶皮层。此外，消退记忆激活的IC神经元，在消退记忆提取过程中被再次激活，而且消退记忆相关IC神经元也主要集中在前岛叶皮层（图1）。这些结果提示我们：IC是恐惧记忆与消退记忆的潜在存储中枢。

图1 恐惧记忆与消退记忆神经元在岛叶皮层的定位分布