神经科学家揭示了第一瞥了内存形成的分子机制

该图像显示海马CA3区中的神经元，这对于内存编码和检索是重要的。Ca3神经元的核在绿色和红色的红色标记为红色，上面较小的绿色斑点代表突出到从齿状回物的Ca3神经元突出的轴突。图像：林实验室

麻省理工学院神经电影分子已经发现了一种允许特定突触在内存形成期间变得更强的细胞途径。该发现提供了第一次瞥见分子机制，通过该分子机制在称为CA3的海马区域中编码长期存储器。

研究人员发现，先前称为NPAS4的蛋白质，以前被鉴定为由神经元活性引发的基因表达的主控制器，控制CA3中神经元之间的连接强度，以及称为牙齿的海马的另一部分中的那些。没有NPAS4，长期记忆无法形成。

“我们的研究确定了CA3中的内存编码的经验依赖性突触机制，并为选择性地控制它的分子途径提供了第一种证据，”脑电和认知科学副教授和麻省理工学院麦戈尔恩研究所的成员用于大脑研究。

林是该研究的高级作者，它出现在2月8日问题。本文的铅作者是麦戈尔恩研究所研究科学家丰菊（Eddie）翁。

该示意图显示了Ca3神经元的两种类型的突触结构。在左侧图像中以红色标记的较小的刺，更涉及内存检索。大型绿色结构（中心图像）表示Ca3神经元与来自齿状回物的进入的轴突之间的突触。在右侧是一个大，多分支脊柱的特写镜头，没有齿状回形图的标记输入。图像：林实验室

突触强度

神经科学家长期以来，大脑通过改变突触的强度或神经元之间的连接来编码存储器。这需要在突触前神经元中发现的许多蛋白质的相互作用，其发送有关事件的信息和接收信息的突触后神经元。

CA3区域中的神经元在形成语境存储器中发挥着关键作用，这些内容是将事件与其发生的位置的记忆，或者与其他上下文信息（如时序或情绪）联系起来。这些神经元接收来自三种不同途径的突触输入，科学家们假设来自仪式转回的这些输入之一对于编码新的上下文存储来说至关重要。但是，如何编码该信息的机制尚不清楚。

在2011年的一个Stockypulbulmbulmbermberment中，林和同事发现NPAS4，在新经验之后立即打开的基因似乎是长期记忆形成所需的基因表达程序的主控制器。他们还发现，NPAS4在学习期间在海马的CA3区域中最活跃。已知快速上下文学习所需的此活动已需要，例如在称为上下文恐惧调理的类型中需要。在调理过程中，小鼠在进入和探索特定腔室时接受温和的触电。在几分钟之内，小鼠学会害怕房间，下次进入它时，他们会冻结。

当研究人员敲掉NPAS4基因时，他们发现小鼠不记得令人恐惧的事件。当他们在海马的CA3区敲掉基因时，它们也发现了相同的效果。然而，在海马的其他部分中敲掉它对记忆没有影响。

在新研究中，研究人员进一步探讨了NPAS4如何施加其影响。林的实验室以前开发了一种方法，使得可以荧光荧光标记在这种恐惧调节期间被激活的Ca3神经元。使用相同的恐惧调理过程，研究人员表明，在学习期间，将加强对CA3神经元的某些突触输入，但不是其他突触输入。此外，这种强化需要NPAS4。

选择性地加强的输入来自来自海马的另一部分，称为牙齿过滤。这些信号传达有关恐惧经验发生的位置的信息。

没有NPAS4，来自牙齿回到CA3的突触未能加强，小鼠无法形成事件的回忆。进一步的实验表明，需要专门用于存储器编码的强化，而不是用于检索已经形成的存储器。研究人员还发现，NPAS4丧失不会影响来自其他来源的CA3神经元的突触输入。

Kimberly Raab-Graham是苏醒森林大学医学院的生理学和药理学副教授表示，研究人员使用令人印象深刻的各种技术来毫不含糊地表明上下文记忆形成由NPAS4紧密控制。

“研究的主要发现是，上下文记忆由单电路驱动，并降至单一的转录因子，”Raab-Graham说，他不参与研究。“当他们敲除了转录因子时，他们删除了上下文记忆形成，他们可以通过添加转录因子来恢复它。”

突触维护

研究人员还确定了NPAS4对施加对突触强度影响这种影响的基因之一。该基因被称为PLK2，涉及突触后结构缩小。NPAS4打开PLK2，从而降低突触大小和强度。这表明NPAS4本身不会加强突触，但维护允许它们在必要时加强的状态的突触。没有NPAS4，突触变得太强，因此不能通过进一步加强它们来诱导编码存储器。

“当你取出NPAS4时，突触强度几乎饱和，”林说。“然后在学习发生时，尽管可以荧光地标记内存编码单元，但您不再看到加强这些连接。”

在未来的工作中，林希望研究将牙齿回到CA3连接到CA3的电路如何与内存检索所需的其他途径相互作用。“以某种方式在不同的路径之间存在一些串扰，因此一旦存储了信息，就可以通过其他输入检索，”她说。

该研究由国家卫生研究院资助，詹姆斯H.Ferry基金以及瑞典大脑基金会研究团契。

出版物：Feng-Ju Weng等人，“NPAS4是在苔藓纤维-CA3在上下文记忆形成期间的突发纤维-CA3突触的临界调节器，”2018年神经元; DOI：10.1016 / J.NEURON.2018.01.026