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回忆究竟从何而来?
2022-07-11

研究人员对小鼠听觉皮层1丘脑突触进行了慢性体内双光子钙成像,发现需要高阶丘脑以实现联想学习,传递与习得行为密切相关的记忆关联信息。

(领研网导读 阿金)目前丘脑皮层在记忆中的直接通讯作用仍待阐明。本研究对小鼠听觉皮层1丘脑突触进行了慢性体内双光子钙成像。结合光遗传、病毒追踪、全细胞记录和计算机模型,研究人员发现需要高阶丘脑以实现联想学习,传递与习得行为密切相关的记忆关联信息。研究结果不仅识别了高阶丘脑的作用,也揭示了听觉皮层1的计算灵活性水平。

导读作者:Veronica

深秋下雨天早上,你一个人宅在家里,耳机里传来电台的旋律。电台的口水歌太嘈杂,似乎想用强烈的鼓点声试图引起你的注意。你于是跳到下一首,此时,耳边响起了熟悉的音乐,你的思绪一下子回到了那个特别的日子,也跟着广播的旋律哼出声来。

在神经生物学中,嘈杂的电台口水歌属于显著(salient)的刺激,它介导自下而上(bottom-up)的、由更低级、更具体信息到更高级、更整体抽象信息的编码和传递。相反的,当你听到熟悉的音乐,回忆浮现,唱起歌来时,大脑则属于自上而下(top-down)的,由高级到低级信息的编码和传递。最近来自德国马普所的一群科学家告诉我们,这种自上而下、由声音引发的联想记忆不仅仅在大脑皮层之间传递,还需要通过丘脑中一个重要的高阶听觉区——高阶内侧膝状体(higher order-medial geniculate, HO-MG)来介导。

通过病毒示踪,在体光遗传并结合电生理技术,研究者首先发现HO-MG直接投射到二级听觉皮层(AuV)的第一层,分别能激活与听觉联想记忆密切相关的皮层第一层中间神经元和第二/三、五层椎体神经元。而作为自上而下的环路的典型特征之一,HO-MG同时还接收来自很多不同脑区的投射,为HO-MG对其他脑区提供反馈信息大开方便之门。

既然HO-MG能投射到AuV中与记忆相关的神经元,它是否能直接向AuV传导与记忆有关的信息?研究者采用了辨别性威胁条件学习范式(discriminative threat conditioning,DTC):在习惯化阶段(habituation)让小鼠听两种不同的声音作为条件刺激(conditioned stimuli),然后在习得阶段(acquisition)只让其中一种声音与足部电击(非条件刺激)配对,最后,为了衡量联想记忆的强度与HO-MG到AuV环路的关系,在回想阶段(recall),他们一方面通过钙信号双光子成像法记录小鼠在AuV中来自HO-MG投射的突触扣节(bouton)的钙活性,一方面记录小鼠在条件刺激下的冻结(freezing)行为。

他们发现,在回想阶段,AuV活跃的突触扣结数目足足比学习前增加了77%,不仅如此,对条件刺激响应的突触扣结钙活性比习惯化阶段时的也更持久,更强。从时间上来看,这些突触扣结钙信号开始活跃的时间也多锁定在条件刺激开始的时候,并早于冻结行为表现出来的时间。这些结果说明,HO-MG能够向AuV传导记忆有关的信息,指导小鼠做出相应的行为。而如果用破伤风毒素(tetanustoxin,TeNT)抑制HO-MG的突触活性,则发现在回想阶段,小鼠与条件刺激相关的记忆受到了损害——这种损害并不存在于习惯化阶段的感知过程,也不存在于和听觉无关的记忆中。

- Pardi et al., Science -

自上而下的传导通常不依赖与局部环路的调节,有趣的是,这次研究者竟意外发现 HO-MG对AuV的投射还受到另一种特殊的中间神经元——神经胶质细胞(neurogliaform interneuron)的调控:在听觉皮层第一层的这类神经胶质细胞能释放γ-氨基丁酸(GABA),通过与HO-MG神经元上的γ-氨基丁酸β受体(GABABR)结合,从而抑制HO-MG的活性。而如果用光遗传技术激活这类神经胶质细胞,AuV处的HO-MG突触扣结的钙活性就大大减弱了。

最后,HO-MG-AuV是否也会参加自下而上的调控呢?当研究者提高了条件刺激声音的强度,再去分析突触扣结的活性程度的时候,竟发现了与自上而下调控的结果截然不同的现象:突触扣结的活跃程度随着声音强度的提高变低了,它们对条件刺激的响应延迟也越来越长——由此看来,自上而下和自上而下是两种完全不同的调控方式,这或许也部分解释了你听不同音乐时会有完全不同反应的原因。