蛋白质合成抑制对海马神经元活动及情境恐惧记忆巩固的影响

本文通过实验揭示了蛋白质合成抑制影响海马神经元活动，进而作用于情境恐惧记忆巩固的机制。

　　

研究背景

记忆巩固是将新获得的信息转化为长期稳定记忆的过程，这一过程需要蛋白质合成的参与。在海马体（HPC）神经元中，蛋白质合成对于晚期长时程增强（LTP）至关重要，而阻断学习后的蛋白质合成会损害依赖海马体的情境恐惧条件反射（CFC）的长期记忆，但对短期记忆没有影响。然而，体内蛋白质合成如何影响学习前后神经元的编码特性尚不清楚。本研究旨在探究持久的、与学习相关的位置细胞重映射是否是 CFC 记忆巩固的基础，通过结合小鼠体内钙成像技术和蛋白质合成抑制剂茴香霉素（ANI）的全身给药，追踪 HPC 位置场重映射和稳定化过程，以及蛋白质合成对协调的冻结预测神经活动发展的影响。

实验方法

1. 实验动物：选用 16 只雄性 C57/BL6 小鼠和 2 只 Long Evans 大鼠。小鼠用于行为学和成像实验，大鼠用于电生理记录实验。实验过程严格遵循动物伦理委员会的指导方针。
2. 病毒构建：小鼠实验使用 AAV9.Syn.GCaMP6f.WPRE.SV40 病毒，大鼠实验使用 pGP.AAV9.Syn.GCaMP7f.WPRE.SV40 病毒。对病毒进行稀释后用于注射，以实现神经元的标记和钙信号的监测。
3. 立体定位手术：对小鼠进行三次手术，包括病毒注射、梯度折射率（GRIN）透镜植入和显微镜基座板安装；对大鼠进行两次手术，包括病毒注射和探针植入。手术过程精细，确保实验设备准确植入目标位置。
4. 行为学范式：小鼠进行为期 10 天的 CFC 任务，同时进行海马神经元成像。在实验过程中，小鼠在中性竞技场和恐惧条件反射（shock）竞技场中进行探索，通过给予电击建立恐惧记忆。大鼠则进行神经活动和行为记录，在不同时间段接受 ANI 或生理盐水注射，并在不同环境中进行活动。
5. 数据采集与分析：利用多种软件和算法对行为学数据、成像数据和电生理数据进行采集和分析。通过特定的指标和统计方法，如行为歧视指数（DI_beh）、神经歧视指数（DI_Neuron）、广义线性模型（GLM）等，评估实验结果的显著性和相关性。

实验结果

1. HPC 神经动力学与记忆特异性的关系：在 CFC 任务中，小鼠表现出记忆回忆和神经活动的变异性。通过计算 DI_beh发现，学习组（Learners）在训练后 1 - 2 天，在 shock 竞技场的冻结行为显著高于中性竞技场，而非学习组（Non - Learners）和 ANI 处理组则没有明显差异。同时，Learners 在学习前的神经歧视指数（DI_neural）趋势高于 Non - Learners，这表明动物先前的行为和潜在的神经状态可能影响记忆特异性。
2. 蛋白质合成抑制对神经活动和 place field 重映射的影响：ANI 给药意外地加速了细胞更新，在训练后 4 小时，ANI 处理组的细胞更新速度明显快于对照组，但随后恢复正常。通过分析发现，减少的运动是导致细胞活性降低的主要原因，而非 ANI 的直接抑制作用。在 place field 重映射方面，Learners 的位置场在学习后表现出低相关性，表明发生了重映射；Non - Learners 在中性竞技场的位置场也出现重映射，但在 shock 竞技场则表现出异常稳定；ANI 处理组的位置场在所有时间点和竞技场都显示出高相关性，这表明重映射对于创建情境特异性记忆是必要的，而缺乏重映射或重映射不当可能导致记忆缺陷。
3. 协调的冻结预测神经活动的出现：在记忆巩固后，CTRL 组在冻结前约 1 秒出现显著的神经活动峰值，而 ANI 组则没有。许多单个神经元在冻结时可靠地激活，且 Learners 中冻结预测细胞的比例较高，其活动的预测性更为明显。此外，Learners 中冻结预测细胞的协调活动在学习后显著增加，包括成对共激活概率和协方差的增加，这表明蛋白质合成对于形成协调的冻结预测神经元集合至关重要。

研究结论

1. 机制阐述：本研究表明，HPC 的空间和非空间表征支持情境记忆巩固。ANI 不仅加速细胞更新，还减少了与学习相关的重映射，有效地阻止了 HPC 情境表征的更新。这与 Non - Learners 在 shock 竞技场缺乏重映射的现象相似，表明重映射的持续存在是空间记忆巩固的潜在机制。
2. 神经元活动与记忆的关系：研究发现，CFC 诱导 Learners 中情境特异性的 place field 重映射，而在 Non - Learners 中，重映射仅发生在中性竞技场。这表明 ANI 诱导的记忆失败和学习不良可能通过相同的潜在机制导致，即 shock 竞技场中重映射的失败。此外，研究还发现，在恐惧记忆回忆期间，一部分 HPC 细胞在冻结事件前可靠地激活，这些冻结预测细胞在 Learners 中组织成可靠的、共激活的神经元集合，且蛋白质合成可能在产生协调的神经元放电以支持记忆回忆中起重要作用。
3. 研究意义与展望：本研究结果为理解记忆形成的神经元活动和蛋白质信号事件之间的关系提供了重要的桥梁，表明蛋白质合成对于学习后新的稳定空间表征的形成以及冻结预测神经元之间协调活动的产生是必要的。然而，本研究也存在一定的局限性，如 ANI 存在脱靶效应，缺乏时间、区域和细胞类型的特异性，且钙成像无法捕捉快速时间尺度的 HPC 活动。未来的研究可以采用更具特异性的方法来进一步探究这些问题，为深入理解记忆巩固的机制提供更有力的证据。