揭秘大脑记忆密码：海马体 CA3-CA1 通路的结构重塑机制

《SCIENCE》：Synaptic architecture of a memory engram in the mouse hippocampus

研究人员利用三维电子显微镜（3D-EM）研究记忆形成机制，发现神经元通过多突触 boutons 重塑连接，意义重大。

　　记忆印记（Memory engrams）是通过神经回路依赖于经验的可塑性形成的，但其详细结构仍未明确。研究人员运用三维电子显微镜（3D-EM），在对联想学习过程中招募的细胞集合进行化学遗传学标记后，对海马体 CA3-CA1 通路进行了纳米级重建。有与记忆获取时间吻合的活动历史的神经元，彼此之间并没有强烈的相互连接偏好。相反，它们的连接组通过多突触 boutons（MSBs）扩展，且这一过程与突触后伙伴的共激活状态无关。代表初始记忆印记的细胞集合重新布线的同时，还伴随着单个突触输入特异性、空间受限的放大，以及线粒体、滑面内质网的重塑，还有与星形胶质细胞相互作用的增强。这些研究结果阐明了长期记忆的物理特征，为信息编码的细胞灵活性提供了结构基础。大脑回路的架构反映了其信息处理、存储和检索的能力。新经历的长期记忆被认为是通过涉及神经元布线和单个突触重组的机制形成的。经典的赫布理论（Hebbian theory）认为，为离散学习阶段招募的神经元通过选择性地加强它们之间的连接，形成稳定的网络。然而，这一原则的普遍性受到一些观察结果的挑战，这些观察表明，感觉刺激的群体编码并非随时间始终固定，并且在不同脑区，记忆获取和回忆过程中参与的神经集合仅有部分重叠。

目前对塑造记忆印记物理底物的经验依赖性事件的本质和起源的理解，大多来自光学成像。尽管技术不断进步，但仅靠光学成像方法，由于其分辨率有限，且无法对多样的结构特征进行无偏分析，仍不足以详细剖析复杂的脑组织。因此，存储记忆痕迹的复杂回路组织，人们仍然知之甚少。为了填补这一知识空白，研究人员使用了三维电子显微镜（3D-EM）。通过将 3D-EM 与对行为相关神经元进行时间控制的化学遗传学标记，以及基于人工智能的图像分析工具相结合，旨在揭示小鼠海马体中长期联想记忆的结构相关性。

研究人员对海马体 CA3-CA1 通路进行了纳米级重建，在巴甫洛夫恐惧条件反射过程中招募的投射神经元（PNs），使用工程过氧化物酶 APEX2，以双 Fos 和药物诱导的方式进行不可逆标记。有与联想学习时间吻合的活动历史的 PNs，彼此之间并没有强烈的相互连接偏好。相反，这些 PNs 通过非典型的多突触 boutons（MSBs）重组它们的连接，同时不改变孤立神经末梢和树突棘的数量或空间分布。CA3 区的 PNs 通过增加 MSBs 的相对丰度及其结构复杂性，在 CA1 区扩展了它们的轴突网络。这种扩展是由负性价刺激引发的突触前兴奋驱动的，而中性刺激则不会引发，并且这一过程独立于突触后伙伴的共激活状态。MSB 介导的代表初始记忆印记的细胞集合重新布线，伴随着单个突触空间受限、输入特异性的放大，突触前线粒体的重塑，突触后棘器的重新分布，以及与星形胶质细胞相互作用的增强。

该研究在细胞和亚细胞水平上阐明了长期记忆的物理特征。对分配给记忆印记的兴奋性回路和突触进行高分辨率成像，为信息编码的细胞灵活性提供了结构基础，正如之前在对各种感觉模式和联想学习至关重要的脑区中所观察到的那样。研究结果揭示了参与记忆获取的投射神经元，在维持单个突触位点稳态排列的同时，增加其布线复杂性的机制。这种机制可能增强网络的联想能力，促进记忆泛化的细胞集合共享，和 / 或提高时间编码的效率。总的来说，这些结果建立了一个框架，有助于推动人们对依赖于感觉经验的脑回路结构可塑性，如何影响其计算特性的理解。