突破界限：突触标记与捕获中超乎想象的时间灵活性

《Communications Biology》：Beyond boundaries: extended temporal flexibility in synaptic tagging and capture

在研究突触标记与捕获（STC）机制时，为探究标签与可塑性相关产物（PRPs）相互作用的时间窗口，研究人员利用强 - 弱范式开展研究。结果发现强 - 弱范式下间隔 9 小时仍能成功发生 STC，这为联想记忆形成提供了新解释，有助于深入理解记忆机制。

　　在大脑的奇妙世界里，每天都有海量的信息涌入。大脑如同一个智能筛选器，会过滤掉无关紧要的细节，留下有用信息。但有时，那些看似无关的细节，一旦和难忘的经历联系起来，或者在时间上靠近重要事件，就会被大脑强化，变成长期记忆。这种将相关记忆连接起来的神奇能力，被称为联想性（associativity）。在细胞层面，联想性在长时程增强（Long-Term Potentiation，LTP）中有所体现，LTP 是一种被广泛研究的突触可塑性形式，被视为学习和记忆的细胞关联。

而突触标记与捕获（Synaptic Tagging and Capture，STC）模型，更是巧妙地解释了 LTP 的联想特性。根据这个模型，LTP 的维持涉及不同过程，比如设置标签来捕获可塑性相关产物（Plasticity-Related Products，PRPs），以及合成 PRPs 。以往研究表明，“功能性标签” 捕获 PRPs 的时间大约是 90 - 120 分钟。然而，对于 PRPs 能在多长时间内被后期设置的标签捕获，这个问题却鲜有人研究。为了探索这个未知领域，新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员勇挑重担，开展了相关研究。该研究成果发表在《Communications Biology》上，为我们理解记忆形成的机制打开了新的大门。

研究人员为了深入探究 STC 中标签与 PRPs 相互作用的时间窗口，采用了离体（ex vivo）细胞外电生理场记录技术。实验中，他们选用 5 - 7 周大的雄性 C57BL/6J 小鼠，制备了 83 个横向海马体切片。之所以选择雄性小鼠，是为了避免雌性小鼠在发情周期中可能出现的激素变化对突触可塑性测量产生影响。

在实验过程中，研究人员运用了强 - 弱（strong-before-weak）和弱 - 强（weak-before-strong）两种 STC 范式，并设置了不同的时间间隔。通过这些实验，他们有了许多重要发现。

首先，在强 - 弱范式实验中，研究人员发现，弱强直刺激（Weak Tetanization，WTET）单独诱导时，会产生早期 LTP，但最终会回到基线水平。然而，当在强强直刺激（Strong Tetanization，STET）后 30 分钟施加 WTET 时，会出现典型的 STC 现象，两个突触输入都表现出晚期 LTP（Late-LTP）。令人惊讶的是，当把 STET 和 WTET 之间的间隔延长到 3 小时、6 小时甚至 9 小时时，WTET 诱导的 LTP 仍然能够转化为晚期 LTP ，这表明即使间隔很长时间，新合成的 PRPs 仍能与 WTET 设置的标签相互作用，维持 LTP。

接着，在弱 - 强范式实验中，研究人员观察到，当 WTET 诱导后 30 分钟施加 STET 时，WTET 和 STET 诱导的 LTP 都能维持在增强水平。但是，当 STET 在 WTET 诱导 3 小时后施加时，尽管 STET 诱导的 LTP 能一直保持增强状态，WTET 诱导的 LTP 却在记录结束时回到了基线水平。这说明捕获 PRPs 的有效标签设置持续时间小于 3 小时，不过如果在标签设置过程中有 PRPs 可用，STC 现象至少可以持续 9 小时。

此外，研究人员还进行了一系列实验来探究强强直刺激是否会对未刺激的突触产生元塑性（metaplasticity）效应，从而降低诱导 LTP 的阈值。他们使用了一种单独的弱强直刺激协议（Short-Term Potentiation，STP，14 脉冲，100Hz），这种刺激通常会诱导短暂的增强，并在 30 分钟内回到基线水平。实验结果显示，当 STP（14 脉冲）在 STET 之后施加时，短暂的增强会转化为晚期 LTP；而当 STP 在 STET 之前施加时，则不会出现这种转化。这表明 STP 诱导的突触输入由于 STET 在另一个突触输入中的活动而发生了元塑性变化，使得较弱的刺激也能产生晚期 LTP。

综合这些研究结果，研究人员得出结论：在另一个突触输入进行强强直刺激后，经过很长时间（在本研究中为 9 小时）设置的标签仍然具有联想性。这一发现不仅证明了 PRPs 可以在很长的时间间隔内共享，还揭示了一种异突触元塑性效应，即强强直刺激会降低相邻突触群体的 LTP 阈值。

在讨论部分，研究人员指出，他们在强 - 弱 STC 范式中观察到的联想性持续时间延长这一现象值得关注。从行为层面来看，之前的行为标记模型表明，如果联想事件（导致长期记忆）在弱学习任务之前 2 - 3 小时发生，那么这个联想事件对学习任务的增强作用就会消失。而本研究结果与行为标记模型的数据存在差异，这可能是由于离体和在体条件下神经调节系统的复杂性不同。在离体海马体切片中，来自海马体外区域的神经调节缺失，这可能会破坏体内平衡效率，从而导致本研究中观察到的联想性持续时间延长。

另外，异突触元塑性也可能是促进联想性延长的一个机制。元塑性是指突触可塑性的可塑性，即突触发生塑性变化的能力会受到自身先前事件或相邻突触活动的影响。本研究中，STP 协议（14 脉冲，100Hz）在强强直刺激（STET）之后施加时能够导致晚期 LTP，这可能是因为 STP 诱导了短暂的标记状态，使得在标签设置过程中有 PRPs 可用时，短暂的增强能够转化为晚期 LTP；也可能是因为 STP 在 STET 之后施加时增强了标签设置，从而促进了 PRPs 的捕获，导致晚期 LTP。不过，具体是哪种原因还需要进一步验证。

此外，研究人员还提到，虽然之前的研究提出了一些分子作为潜在的标签，如 Ca²⁺/ 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II（CaMKII）、蛋白激酶 A（Protein Kinase A）和原肌球蛋白受体激酶 B（TrkB）等，但标签与 PRPs 相互作用的具体机制仍然有待探索。其中，蛋白激酶 Mζ（PKM^ζ）被认为是 LTP 维持的关键分子，在体内可以持续数月保持较高水平，是记忆维持的有力候选分子。探索 PKM^ζ与其底物之间的相互作用，可能会加深我们对标签与 PRPs 相互作用的理解，为揭示突触联想性的机制提供新的线索。

总的来说，这项研究为我们理解突触标记与捕获的时间动态提供了新的视角，对于深入探究联想记忆形成的分子机制具有重要意义。它不仅揭示了 STC 中令人惊讶的时间灵活性，还为未来在该领域的研究指明了方向，比如进一步研究神经调节过程和突触联想性的潜在机制，以及探索如何通过调节这些机制来改善联想学习等。