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岛叶皮层中负责恐惧记忆存储和恐惧记忆消退的两种神经元及其相互作用机制
点击次数:116 发布时间:2022-10-14

恐惧和恐惧记忆的消除对于生物体在不断变化的环境中生存至关重要,这些记忆被认为是由大脑中单独的神经元群编码的,但目前它们在大脑中的位置仍然难以确定。

岛叶皮层(IC)对于处理厌恶和感知刺激以及协调适当的行为反应至关重要,被认为是恐惧和恐惧记忆消退关键脑区。最近的一项研究表明,IC作为恐惧的关键状态依赖调节因子,调控恐惧和恐惧记忆消退之间的平衡然而,特定IC投射神经元是否存在以及如何参与恐惧和恐惧记忆仍然未知。

在此背景下, 2022年9月21日,上海交通大学徐天乐、张思宇与复旦大学李伟广课题组在Nature Communications发文揭示了岛叶皮层中负责恐惧记忆存储和恐惧记忆消退的两种神经元及其相互作用机制

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首先,课题组将小鼠分为仅声音刺激组(conditioned stimulus, CS)和同时进行声音刺激和足部电击组(CS+US-unconditioned stimulus),并以mCherry+c-fos+信号分别捕捉IC脑区恐惧和恐惧消退激活的神经元。行为学结果显示:CS+US组小鼠听到警报声后的僵直时间显著增加;免疫染色结果显示其mCherry+c-fos+信号显著增加。随后,课题组CS+US组小鼠进行额外一天的恐惧恢复训练,发现其c-fos+信号显著减少。进一步的免疫染色结果显示:恐惧记忆神经元投射至中央杏仁核(CeA),而记忆消退神经元则主要投射至伏隔核(NAc)

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1|恐惧记忆和记忆消退神经元的不同投射

为了进一步探究上述两种环路的功能,课题组监测了小鼠在训练期间脑部的钙活动情况,并发现发现IC-CeA投射神经元在被足部点击时钙信号显著上调,表明其参与存储和表达恐惧记忆;而IC-NAc投射神经元在恐惧记忆消退训练中钙信号水平显著升高,表明其存储和表达消退记忆。此外,化学抑制CeA和NAc投射神经元分别造成小鼠僵直时间的减少和增加;而光激活CeA和NAc投射神经元则结果相反

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2|光遗传激活CeA和NAc投射神经元对小鼠僵直时间影响不同

为了充分了解恐惧和恐惧记忆消退如何特异性地在IC中产生不同的投射,课题组研究了IC CeA和NAc投射神经元的内在电生理特性,以及它们潜在相互作用。课题组选用IC投射神经元含量最高的5层脑区电生理结果显示:IC-CeA神经元IC-NAc神经元具有更低阈电位和更高的内在兴奋性,即IC-CeA神经元兴奋性更高此外,光遗传激活IC-CeA神经元诱导了IC-NAc神经元的兴奋性和抑制性突触后电流(oEPSC和oIPSC),同时光遗传激活IC-CeA神经元使得恐惧训练期间IC-NAc神经元PPRIPSC-EPSC 比值增加。同样,光激活IC-NAc神经元也将诱导IC-CeA神经元在恐惧训练期间PPRIPSC-EPSC 比值增加。这些结果表明IC-CeA和IC-NAc投射神经元之间还存在记忆行为依赖的交互抑制,维持局部环路中的兴奋-抑制平衡

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3|光激活IC-CeA神经元使得恐惧训练期间IC-NAc神经元PPR和IPSC-EPSC 比值增加

最后,课题组以逆向跨单突触示踪技术在全脑范围内追踪了两群IC投射神经元集群的上一级神经元,并通过光遗传技术发现负责高级认知功能的额叶皮层如眶额皮层OFC)向负责恐惧记忆消退的IC-NAc神经元的突触传入更强激活OFC→IC神经投射OFC→IC→NAc神经环路促进消退恐惧记忆,减少小鼠在训练期间的僵直时间。该研究表明,OFC对IC特定记忆神经元进行自上而下的偏向性控制,从而选择性地驱动特定记忆的表达

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4|光激活OFC→IC→NAc神经环路减少小鼠在训练期间的僵直时间

总的来说,本文通过对小鼠进行恐惧和恐惧消退训练发现两个不同的投射神经元亚群在岛叶皮质(IC)内的定位——中央杏仁核(CeA)和伏隔核(NAc),并发现两者分别编码恐惧和恐惧记忆消退,且两者具有互助性,并通过逆行示踪发现IC-NAc投射神经元优先受到来自眶额叶皮层(OFC)的皮层间输入的支配以调控恐惧记忆的消退


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