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對大腦遺忘機制的研究成果

記憶是大腦最重要的功能之一，也是人類研究最多的腦功能之一。記憶隨時在發生，而遺忘如影隨形。海馬體位于大腦丘腦和內側顳葉之間，是負責記憶的編碼和存儲的一個重要腦區。在這里，記憶信息被編碼于一些神經元中，稱之為記憶印跡細胞。隨著科學研究的發展，科研人員發現印跡細胞的重新激活是記憶提取的“發動機”，印跡細胞間的突觸聯系是儲存記憶的“倉庫”。海馬腦區中記憶是如何隨著時間而消退的呢？這個問題在科學界一直沒有得到充分的研究。經過3年多的努力，浙江大學醫學院谷巖研究員課題組和王朗副研究員課題組首次發現，用于免疫的小膠質細胞通過清除突觸而引起記憶遺忘，并且進一步發現補體信號通路參與了小膠質細胞介導的遺忘，并且依賴于記憶印跡細胞的活動。這項研究，北京時間2月7日在國際頂級期刊《科學》在線發表。論文共同第一作者為醫學院2016級博士生王超和2017級博士生岳惠敏，論文通訊作者為谷巖研究員和王朗副研究員。遺忘被“遺忘”了記憶與遺忘就像是一個硬幣的兩個面，不可分割。但是長期以來，科研人員對人腦記憶的產生、儲存、調取始終表現出濃厚的興趣，研究也比較深入，但對于遺忘這一現象關注的就不是很多。就算是討論記憶丟失的原因，也多是從記憶存儲和調取過程中出現問題這個角度來考慮。遺忘被“遺忘”了。不過，谷巖倒是對這個問題很好奇，他開玩笑說：“我自己記性差，所以對遺忘方面的研究很感興趣。” 如何算出記憶保留了多少？課題組在小鼠記憶遺忘實驗中用的是經典的條件恐懼記憶行為學模型。科研人員通過在一個場景中給小鼠施加電擊刺激，使其建立對這個環境的記憶。在35天后，讓受過電擊的小鼠再次重返這一場景中，看小鼠是否會回想起電擊的痛苦進而表現出害怕。 “這個行為學范式本來是用來檢測恐懼行為的記憶的，但換一個角度看就是遺忘”，谷巖介紹，正常的小鼠對于環境總是充滿好奇四處活動，但是如果留有恐懼記憶，它就會因為害怕而呆在那里不動（即freezing狀態），“我們就通過計算單位時間內小鼠處于靜止不動的時間，來衡量小鼠記憶保留的情況。”圖1. 記憶的遺忘隨著時間而逐漸發生。研究人員發現，訓練35天后，小鼠freezing的時間顯著低于5天時的檢測結果，表明時間越久，記憶的遺忘越顯著。像“探案”一樣做研究從小鼠的實驗中，研究人員發現，記憶隨著時間的推移而消退。記憶在海馬中提取的主要途徑，是通過編碼這些記憶信息的記憶印跡細胞的激活。通過標記記憶印跡細胞，研究人員發現，遺忘的同時伴隨著印跡細胞的激活率的下降。那么是什么導致了印跡細胞激活率的下降？研究人員關注到大腦中的另一種細胞——小膠質細胞。小膠質細胞約占大腦細胞總數的10-15%左右。此前科學家已經明確，小膠質細胞是中樞神經系統中的主要免疫細胞。當大腦受傷感染，細菌進入皮層后，小膠質細胞作為重要的“防衛兵”負責“抵御殺敵”。越來越多的研究表明，小膠質細胞不僅參與神經系統的免疫調控，而且對于神經系統發育、神經元活動以及神經環路功能都有重要的調節作用。研究人員特異性地清除了腦內的小膠質細胞，發現不僅遺忘被抑制了，同時印跡細胞的重新激活率的下降也被抑制了。“這個發現其實非常偶然，我們將清除小膠質細胞的小鼠進行了一系列的實驗，包括記憶的形成和提取、焦慮等，但結果對記憶遺忘的影響非常顯著。”去除小膠質細胞的小鼠的恐懼反應要比對照組更加明顯，處于靜止狀態的時間是對照小鼠的2倍多。為此，課題組繼續深入開展實驗，并發現當清除小膠質細胞時，記憶印跡細胞的激活不再出現明顯的下降。圖2. 清除小膠質細胞抑制了遺忘。A-B：用CSF-1抑制劑PLX3397（PLX）特異性清除小膠質細胞后，小鼠的遺忘被抑制了。C-D：PLX抑制了伴隨遺忘的印跡細胞激活率的下降。既然小膠質細胞確實影響了記憶印跡細胞的激活，并導致了遺忘，那么它們又是如何引起了印跡細胞激活率的下降呢？是不是通過破壞記憶印跡細胞之間的信息傳遞呢？此前的研究表明，小膠質細胞能夠清除嬰幼兒大腦發育中過多的突觸，并調節神經元之間突觸連接的動態變化。那么在成年的大腦中，小膠質細胞是否也具有同樣的功能呢？因此研究人員繼續破案，通過免疫染色和高分辨率成像，他們發現海馬的小膠質細胞“肚子”里，存在著突觸特異性的成分，如位于突觸前的synaptophysin分子和位于突觸后的PSD95分子，并且與小膠質細胞中的溶酶體共定位（共定位：兩個蛋白位于同一空間位置的細胞學佐證），表明成年海馬中的小膠質細胞仍然具有“吃掉”突觸結構的能力。當抑制小鼠的小膠質細胞吞噬作用時，記憶的遺忘被顯著阻斷。這些結果表明小膠質細胞通過“吃掉”突觸而介導了遺忘。圖3. 在小膠質細胞中發現了突觸特異性成分，如突觸前蛋白synaptophysin（Syn，A）和突觸后蛋白PSD95（B），并且與小膠質細胞的溶酶體標記物Lamp1共標。遺忘的機制始于分子的“導航” 研究人員發現，記憶在印跡細胞組成的這條“公路”上激活傳遞，這其中記憶印跡細胞之間的突觸不僅是公路間相聯系的“橋梁”，而且也是儲存記憶的“倉庫”。小膠質細胞就像是“拆遷隊”，把“橋梁”給拆掉了，儲存在其中的記憶信息也就無法繼續傳遞下去，最終導致了記憶遺忘。那么具體是什么分子機制讓本來是大腦“防衛兵”的小膠質細胞“兼職”成為了“拆遷隊”了呢？研究人員通過高分辨率顯微鏡發現補體分子C1q不僅與印跡細胞的一些樹突棘共定位，還與PSD95一起存在于小膠質細胞溶酶體中，這提示補體信號通路可能介導了小膠質細胞對記憶印跡細胞突觸的清除。研究人員通過對比，發現在印跡細胞中阻斷補體信號通路可以十分有效地抑制記憶的遺忘和印跡細胞激活率的下降。而C1q-補體信號通路就像是獵人的小狗，尋找并在記憶印跡細胞的一些突觸做上標記，這樣小膠質細胞就像有了導航圖一般，可以瞄準目標展開攻擊，一吃一個準。 “復習不易忘”有了科學依據生活中的一個常識，學習了一個新知識，假如總是復習，就不容易遺忘，而不去復習的話很快就會忘記。研究人員通過實驗證明了這一點。課題組特異性地在記憶痕跡細胞中導入了藥理遺傳學受體，通過注射藥物CNO后，可以選擇性抑制記憶印跡細胞的活動，讓它們沒有那么興奮。這個時候研究人員發現，記憶的遺忘被加速了，就像不復習就容易遺忘。而這種加速的遺忘也可以被清除小膠質細胞或者阻斷補體通路所抑制。從另一個角度來看，復習就是讓記憶印跡細胞和相應的突觸聯系更加活躍，好像把突觸這座橋梁用鋼筋混凝土加固了一樣。而如果不復習，“橋”就會年久失修，就會被小膠質細胞這個“拆遷隊”識別并拆除。小膠質細胞的突觸清除可能是介導遺忘的一種普遍機制海馬的齒狀回可以不斷產生新生的神經元，稱之為神經發生（neurogenesis）。根據此前《科學》雜志報道，齒狀回中持續產生的新生神經元的整合會導致海馬神經環路中大量突觸的重組與替換，從而導致先前建立的記憶被遺忘，尤其是在嬰兒期。為了找出小膠質細胞介導的遺忘和神經發生介導的遺忘之間的關系，研究人員同時操縱了海馬神經發生和小膠質細胞，發現小膠質細胞介導的突觸清除既參與了神經發生引起的遺忘，也參與了和神經發生無關的遺忘。因此，小膠質細胞的突觸吞噬作用可能是在有神經發生的大腦區域，或缺乏神經發生的哺乳動物大腦中介導遺忘的一種更為普遍的機制。谷巖表示，隨著研究的深入，未來可能對疾病導致的記憶損傷和記憶丟失有更清楚的理解。從長遠來看，這項工作也為研究長期記憶的鞏固和不良記憶的消除提供了前瞻性的基礎鋪墊。

浙江大學 2021-04-10

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