联合性学习线索记忆的获取诱导海马CA1脑区的两条主要输入通路的突触增强
Associative Learning-Induced Synaptic Potentiation at the Two Major Hippocampal CA1 Inputs for Cued Memory Acquisition
王冰莹1 • 王波1 • 曹波1 • 顾铃铃1 • 陈佳昱1 • 贺华3 • 赵政1 • 陈福俊2 • 王智如1
1华东师范大学生命科学学院，脑功能基因组学教育部重点实验室，上海市脑功能基因组学重点实验室，上海 200062，中国
2上海交通大学，Bio-X 研究所，发育与神经精神疾病遗传学教育部重点实验室，上海 200030，中国
3海军军医大学第三附属医院神经外科，上海 200438，中国
第一作者：王冰莹
通讯作者：王智如、陈福俊、赵政
海马突触可塑性在记忆形成中的作用一直是神经科学研究的热点，然而在学习过程中对海马环路的功能性突触可塑性变化的直接观察鲜有报道，仍然是一个尚待深入研究的领域。
本研究基于单天连续的奖励痕迹型条件反射行为范式，深入研究了在获取线索记忆过程背侧海马CA1区（dCA1）环路突触可塑性的作用机制。
研究人员首先在头部固定的小鼠上建立了奖励性的痕迹型条件反射的联合学习行为范式，即声音（条件刺激，CS）与水（非条件刺激，US）进行配对。在这一行为范式中动物接受单天训练即可获得稳定的长期记忆。在条件反射的学习过程中，通过玻璃微电极分别在dCA1的两个直接输入通路记录的局部场电位（LFP），并结合光遗传对其进行选择性抑制，包括：从CA3投射到CA1辐射层（Rad）的Schaffer侧支和从内嗅皮层（EC）投射到CA1分子层（LMol）的TA通路。结果显示这两个输入通路上CS诱发的dCA1突触反应均有显著增强。研究人员进一步在学习过程中通过局部注射AP-5阻断dCA1的NMDA受体，两条通路上CS诱发的LFP反应增强被均被阻断，证实这种增强机制与LTP相同，均为NMDA受体的突触可塑性变化。此外，通过在未经学习动物的dCA1进行在体清醒全细胞膜片钳记录，观察CS诱发的阈值下电活动，发现感觉刺激主要引起兴奋性的突触反应。这些发现共同指向学习过程中CS介导的兴奋性突触发生了长时程增强（LTP）样的可塑性。
接下来，研究人员通过64通道硅电极同时记录海马区不同层的LFP信号。结果显示，在Rad和LMol的两个输入通路上，突触可塑性的诱导具有相似的时间进程。有趣的是，突触可塑性的诱导晚于条件行为反应（conditioned behavioral responses,CR）的出现，但早于CR的饱和。这一时间进程的差异为理解突触可塑性与行为学习之间的关系提供了新的视角。为验证该任务确实依赖海马，研究者在dCA1双侧注射NMDA受体拮抗剂AP-5，结果显示条件行为反应被显著抑制。此外，电流源密度（CSD）分析进一步证实LFP反应的增强主要来自各自通路的兴奋性突触输入。
总之，本研究通过单次奖励型痕迹联合学习训练，在活体动物中直接观察到由学习诱导的海马CA1区突触可塑性。研究发现，在Schaffer侧支和TA通路两个输入通路上，介导CS反应的兴奋性突触均发生了LTP样的突触可塑性。这种突触可塑性的诱导具有特定的时间进程，为深入理解海马突触可塑性在记忆获取中的作用机制提供了重要依据。这些发现不仅丰富了我们对海马记忆编码机制的认识，也为进一步探索不同输入通路在记忆形成中的具体作用奠定了基础。
图1 在dCA1辐射层，学习引起的CS诱导的LFP反应增强。 A 动物学习期间在dCA1脑区记录LFP的示意图。B 记录CA1辐射层的示例，显示自发LFP信号主要由负极性事件组成。C 来自CA1辐射层的代表性数据，显示学习引起的CS诱导的LFP反应增强。(C1, 左) 舔舐行为的光栅图。(C1, 右) 所有条件反射trial中的LFP活动；黑色轨迹是45个连续trial的平均LFP活动。(C2) 对应(C1)中的例子，舔舐行为(top)和LFP反应(bottom；每个数据点为20次trial，即为1个block；箭头表示初始反应增加)的时间进程图。除非另有说明，本图和其他图中显示的是LFP反应幅度的绝对值。Error bar表示标准误（SEM）。D 如（C）所示的所有实验总结（n = 12）。（左）时间进程图总结，Error bar表示标准差（SD）；***P
图2 在dCA1中，CS诱导的层状剖面CSD和Rad与LMol中LFP反应的变化。A 组织学鉴定的64通道硅电极在dCA1的电极轨迹，箭头指示记录位点1和64。B1 CS诱导LFP反应（联合学习的晚期阶段）的不同层的热图示例。B2 条件反射联合学习早期和晚期阶段，所有记录位点的LFP幅度（原始值而非绝对值，如B1所示）C 根据（B1）中的LFP数据计算得出的不同层CSD的热图。D, E 同时在Rad和LMol记录的CS诱发LFP反应的变化示例和总结（n = 12）。比例尺，100 μm。
关键词：海马；突触可塑性；联合学习；痕迹型条件反射；Schaffer侧支；TA通路
