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【Inscopix应用】Science:睡眠时遗忘细胞会清理记忆!再苦再累也要睡觉!

时间:2019-11-01     【原创】   阅读

    

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记忆是人脑对过去经历的整理、保持、再现或再认,是思维、想象等高级心理活动的基础。在清醒状态下,关键的记忆以更有效的形式保存下来,大部分琐屑的细节则会在睡眠过程中被扔进碎纸机中。通过主动遗忘这些不必要的记忆,可以为大脑的信息存储节约大量空间。

那么,在睡眠的过程中,脑中记忆是如何被选择和遗忘的呢?大脑是如何决定哪些记忆应该被留下呢?我们能否调节这一过程,从而是能记住更多的东西?神经退行性疾病如阿兹海默症中的遗忘和睡眠过程中的遗忘是否有关?近年来,这些问题受到了越来越多的关注。9月20日名古屋大学Akihiro Yamanaka 研究组发表于《科学》杂志(Science)的论文”REM sleep–active MCH neurons are involved in forgetting hippocampus-dependent memories. Science.“,文章中通过使用滔博生物-INSCOPIX的nVista自由活动超微显微成像方法发现清醒状态激活的与REM睡眠状态激活的LHA MCH神经元分属不同亚群,且随机分布于LHA,阐明了LHA MCH神经元参与睡眠-觉醒节律调控,为回答这些问题提供一条新的线索。

在大脑中,下丘脑负责调控机体内稳态与本能行为。其中,下丘脑外侧区(LHA)中表达黑色素浓缩激素(MCH)的神经元参与睡眠-觉醒节律调节,激活LHA MCH神经元会增加REM睡眠时间,抑制这群神经元减少其它状态到REM睡眠状态的转换。那么,LHA MCH神经元是否与睡眠调节记忆过程有关呢?Akihiro 他们发现LHA MCH神经元参与睡眠状态介导的遗忘过程,抑制REM睡眠状态激活的LHA MCH神经元显著提升小鼠记忆水平,而不影响其睡眠-觉醒节律。这项研究揭示了睡眠调节记忆的神经环路机制,极大提高了人们在睡眠、记忆领域的认知。


Akihiro Yamanaka, PhD

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图片来源:riem.nagoya-u.ac.jp

01 LHA MCH神经元参与遗忘过程

在大脑的海马中进行着记忆和遗忘的过程。为了知道大脑海马受哪些脑区支配,研究者使用病毒逆行示踪的方法,在小鼠的海马中注射逆行示踪染料retrobeads,发现LHA等多脑区神经元都投射到海马,其中LHA MCH神经元是主要上游,其投射到背侧海马(图1A-C)。

研究者使用化学遗传方法,在MCH-Cre小鼠LHA双侧注射AAV-FLEX-hM3Dq或AAV-FLEX-hM4Di,探索LHA MCH神经元是否参与记忆与遗忘过程(图1D,G)。将注射病毒的小鼠放入到行为学箱体中进行了新物体识别实验(Novel object recognition, NOR)与条件场景恐惧(Contextual fear conditioning, CFC)实验,在NOR记忆形成后再注射CNO。研究者发现,化学激活LHA MCH神经元后,小鼠在NOR、CFC范式中记忆水平明显下降(图1E-F);反之,化学抑制LHA MCH神经元后,小鼠在NOR、CFC范式中记忆水平明显升高(图1H-I),这表明LHA MCH神经元参与了遗忘的过程。

研究者通过引入tet-off系统,将小鼠饲料中的强力霉素去除,这样可以杀死LHA MCH神经元(图1J),发现小鼠NOR记忆水平的提升可维持至少48小时(图1K)。此外,杀死LHA MCH神经元后,依赖于海马的条件场景恐惧记忆、空间记忆变得更好,而依赖于杏仁核的另一种恐惧记忆不受影响(图1L-N)。这说明了LHA MCH神经元的长期功能效应。


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图1 LHA MCH神经元参与遗忘过程

02 LHA MCH-海马环路参与遗忘过程

为了进一步摸清LHA MCH神经元的功能,研究者加入了光遗传学方法,在MCH-tTA; TetO ChR2小鼠的LHA双侧埋植光纤,通过光激活LHA MCH神经元(图2A),发现在记忆保持期而非编码期和提取期激活LHA MCH神经元可破坏小鼠NOR与CFC记忆(图2B-C)。然后,使用膜片钳技术记录小鼠海马CA1的锥体神经元,发现光激活LHA MCH神经元轴突末梢增加CA1锥体神经元抑制性突触后电流(IPSC)的幅度和频率,表明了LHA MCH-海马环路的投射为GABA能投射(图2D-J)。进一步,研究者者在MCH-tTA; TetO ChR2小鼠的海马双侧埋植光纤,发现在保持期光激活LHA MCH-海马环路可破坏小鼠NOR与CFC记忆(图2K-M),表明LHA MCH-海马环路在保持期参与遗忘过程。


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图2 LHA MCH-海马环路参与遗忘过程

03 LHA MCH神经元参与睡眠-觉醒节律调控

过往的研究表明,LHA MCH神经元主要在快速眼动睡眠(REM)时期被激活。但是,这个实验室是在动物头部固定的条件下测试的,而且记录神经元的数量有限。另有一些研究表明,LHA MCH神经元在清醒状态下的探索行为过程中被激活。

要进一步确定LHA MCH神经元在小鼠不同节律状态下的活性,在MCH-tTA小鼠的LHA中注射AAV-TetO-GCaMP6并植入光纤,发现小鼠LHA MCH神经元在觉醒状态下活性适中,在REM睡眠状态下活性显著提高。其中,NREM睡眠-REM睡眠与NREM睡眠-觉醒转换过程中LHA MCH神经元活性显著提高;REM睡眠-觉醒转换过程中LHA MCH神经元活性显著降低(图3A-D)。

接着,研究者使用了美国iNSCOPIX公司的nVista自由活动超微显微成像方法,在单细胞水平探究LHA MCH神经元的功能,在MCH-Cre小鼠的LHA注射AAV-FLEX-GCaMP6f并植入Lens,通过nVista超微显微成像方法记录到了大量的LHA MCH神经元信息,发现清醒状态激活的与REM睡眠状态激活的神经元分属不同亚群,其随机分布于LHA(图3E-J)。


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图3 LHA MCH神经元参与睡眠-觉醒节律调控

04 REM睡眠激活的LHA MCH神经元诱导遗忘过程

最后,研究者使用睡眠剥夺箱小鼠进行睡眠剥夺处理,发现杀死LHA MCH神经元后小鼠记忆水平不再提高,证实不同类型LHA MCH神经元在睡眠调节记忆、遗忘过程中的功能(图4A)。接着,研究者在MCH-tTA小鼠的LHA中双侧注射AAV-TetO-ArchT并植入光纤,分结合析EEG、EMG和行为活动给予光遗传刺激(图4B-C)。他们发现,在REM睡眠状态时抑制LHA MCH神经元显著提升小鼠记忆水平,而不影响小鼠睡眠-觉醒节律;而在觉醒或NREM睡眠状态时抑制LHA MCH神经元不影响小鼠记忆水平(图4D-G),表明REM睡眠激活的LHA MCH神经元引起遗忘。


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图4 REM睡眠激活的LHA MCH神经元诱导遗忘过程 


总结

在睡眠状态下,我们的大脑会整理记忆,以实现记忆增强与遗忘。但我们对编码此功能的神经元及其神经环路机制还知之甚少。本篇文章结合了化学遗传学、光遗传学、神经电生理技术、自由活动超微显微成像与行为学等方法,发现LHA MCH神经元投射到海马以调控睡眠状态参与的遗忘过程。此外,抑制REM睡眠状态激活的LHA MCH神经元会显著提升小鼠的记忆水平而不影响其睡眠-觉醒的节律。这项研究阐释了睡眠状态重塑记忆的神经环路机制,为临床治疗与睡眠相关疾病提供有力支持!

参考文献:

Izawa, S., et al., REM sleep–active MCH neurons are involved in forgetting hippocampus-dependent memories. Science, 2019. 365(6459): p. 1308-1313.


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