2019年9月5日

发现神经元集合活动被精心安排来代表一个记忆

由日本科学技术振兴院批准

发现神经元集合活动被精心编排，以代表一个记忆 — 利用光揭示印痕和非印痕集合神经元活动的新光遗传系统。印迹细胞可以在c-fos-tTA小鼠中特异性靶向。Thy1-G-CaMP7有助于海马CA1神经元的Ca2+成像。桑德符号，表示神经元激活状态。微型荧光显微镜观察小鼠脑内荧光的图像。从单个动物中检测到的所有印痕细胞和非印痕控制细胞的代表图像。d.在经历新事件期间，所有印痕细胞(上)和非印痕细胞(下)的神经元活动对应的归一化钙瞬变(随时间显示)。图片来源:富山大学

大脑通过一种叫做记忆细胞的神经元集合来储存记忆。建立了一个独特的系统，将神经元种群活动转移到光中，利用荧光蛋白区分印痕细胞和非印痕细胞。通过使用这个系统，我们发现印记子集成代表了不同的信息片段，然后这些信息被编排成一个完整的记忆。此外，在学习后睡眠中，一些亚整合优先出现，而这些重复出现的亚整合更有可能在检索过程中被重新激活。

由日本富山大学Noriaki okhawa博士(讲师)和Kaoru Inokuchi教授指导的一个研究小组成功地建立了一个系统，以研究获得记忆的细胞集合的特征活动，并以可视化的方式表示和巩固大脑中经历的新片段的记忆。

在我们的一生中，我们会接触到许多偶发事件，然后记住它们的信息。这种记忆，情景记忆，是由大脑的几个区域处理的，其中一个区域就是海马体。据信，在海马体中，一个特定的情景记忆储存在一个神经元中，并从神经元中提取出来系综组成的神经元这种细胞在学习过程中被激活。事实上，印迹细胞集合的激活或抑制分别诱导或抑制记忆检索;因此，印记细胞集合代表了特定记忆痕迹的生理表现。

然而，一个情景记忆是由情景的几个组成部分组成的，每个组成部分都应该由特定的基质编码，例如记忆记忆子集合。然而，由于技术的限制，人们还不清楚这些印迹细胞的活性是如何组装起来代表相应的事件的，这意味着很难区分印迹细胞和非印迹细胞的种群活性。

解决一个人如何情景记忆在印痕细胞集合中表示和巩固，则必须将印痕细胞和非印痕细胞的活动形象化。由于记忆形成相关的神经活动诱导c-fos基因表达，进而在c-fos启动子的控制下诱导活性依赖的tTA表达，因此记忆印迹细胞可以在c-fos-tTA小鼠中特异靶向。在缺少多西环素的情况下，tTA可以与四环素响应元件(TRE)结合，使依赖于TRE的转基因基因能够在下游表达(图1a)。

当神经元激活时，Ca2+会流入它们的体细胞。Thy1-G-CaMP7小鼠在小鼠海马CA1的锥体神经元中表达一种Ca2+指示物G-CaMP7。因此，神经元活性被转移到G-CaMP7荧光中，称为Ca2+成像。我们开发了一种技术，将头戴微型荧光显微镜与Thy1-G-CaMP7/c-fos-tTA双转基因小鼠相结合。双转基因小鼠海马CA1区在TRE控制下注射表达荧光蛋白Kikume Green Red (KikGR)的LV(图1a和1b)。使用这种方法，可以用KikGR识别印迹细胞，并可以在经历一个新的情景事件时跟踪印迹细胞和非印迹细胞活性对应的Ca2+信号(图1c和1d)。

结果表明，印痕细胞群的种群活动在新的情景事件中表现出高度重复活动的特征。为了解决一个记忆的组成部分，建议将种群活动分解为亚集合组。非负矩阵分解(NMF)将种群活动分解为共激活神经元集合的时间序列(图2a)。每个子集合由不同的细胞组成，这些细胞在空间上相互混合(图2b左)，使它们的同步活动甚至在与单个事件相关的印迹细胞组之间(图2b右)。这些结果表明，一个事件的全部信息被构造成子印象集合。

为了测量记忆印迹细胞在不同记忆处理阶段的活性，我们记录了从新体验到体验后睡眠到记忆恢复的Ca2+瞬变。记忆记忆在经历后睡眠时重新激活，然后在检索过程中优先重新出现，而在非记忆记忆中，几乎没有一个亚集合不表现出这一特征。因此，在新体验中形成的、在睡眠过程中被重新激活的记忆记忆亚集合，大多在检索过程中被重新激活(图3)。相比之下，大多数在新体验中被激活的非记忆记忆集合在之后的会话中没有被重新激活。