Nat Commun | 上科大管吉松组发现海马体对记忆存储的重要索引机制

时间：2022-04-06 热度：

海马结构体(Hippocampal formation, HPF)与大脑皮层(Cortex)是哺乳动物中负责情景记忆的核心脑区。但是关于海马的具体功能一直存在着不同的假说：一种认为海马是短期记忆向长期记忆转化过程中的中转站，存储了记忆的相关信息；另一种假说认为海马无法保存如此多的信息，只是作为皮层中信息的索引存储脑区，在长期记忆形成之前辅助并调控记忆的存取过程。

2022年3月24日，上海科技大学管吉松课题组在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature communications）在线发表论文“Acquiring new memories in neocortex of hippocampal-lesioned mice”，揭示了海马结构体和大脑皮层在学习过程中的相互作用机制。该研究为海马在记忆中的索引功能提供了明确的生物学证据：研究发现皮层不同功能区间的长距离伽马频段同步信号是受到海马调控的记忆索引信号，正是这个信号偶联不同脑区的记忆印迹细胞活动并介导皮层中记忆的存储与提取过程。

“这不仅仅是海马和皮层在认知功能认识上新的突破，而且会对相关的疾病和脑机接口研究有重要的指导意义。”本文第一作者罗文翰介绍，本研究首次提出一种新的认知机制：海马通过内嗅皮层诱导广泛皮层伽马同步来支持记忆写入和提取。

临床意义上来说，阿尔兹海默症萎缩脑区首先就是从海马-内嗅皮层开始的，并且展现出空间感知和记忆能力的下降。因此该研究也可指导新型电刺激疗法的开发：后续刺激疗法可以关注人类的内嗅皮层及附近区域，尝试伽马频段的深部脑刺激，有望为阿尔兹海默症病人的治疗带来曙光。

同时，本研究也证明了独特的伽马波段的脑电同步和认知高度相关，多脑区的伽马频段同步数据不仅包含多脑区相关性信息，也大大丰富了脑机接口的输入数据（BMI, Brain mechine interface），因此也会有利于人类脑电信号的解读（decoding）和相关脑机接口的新设计。

结果

在记忆过程中小鼠的脑电波同步

首先，研究人员构建了空间记忆任务行为学范式：在训练前，小鼠给予食物剥夺处理，随后，进行为期4天的寻找食物的沙盘迷宫训练，在第5天的“记忆提取”测试中（recall trials）经过训练的小鼠表现为更喜欢在含有食物的区域内探索，表明记忆提取成功（图1a,b）。

基于该行为学范式，作者同时记录了次级运动皮层(secondary motor cortex, MO)、初级视皮层(primary visual cortex, VIS)和压后皮层(retrosplenial cortex, RSC)等多个浅皮层不同功能区的局部场电位(local field potential, LFP)，研究运动、视觉和空间认知相关脑区在空间记忆任务中的协调作用（图1c）。结果发现，在沙盘迷宫中记录到了更高的theta波段和伽马(gamma)波段振荡功率，且在记忆编码(memory encoding)和记忆重提(retrieval trials)中皮层远程gamma与theta相位耦合（图1d-h），即在记忆过程中，theta波调制下的gamma频段趋于一致（同步）。

图1 学习诱导的皮层远程gamma与theta相位耦合

海马和外侧内嗅皮层诱导脑电波同步

海马(Hippocampus, HPC)与theta节律的调节密切相关。下一步，研究人员探究了在记忆处理(memory processing)过程中皮层gamma振荡是否受HPC调控。空间记忆任务行为学结果发现，HPC损伤小鼠（HPC-lesioned mice，海马区多点注射NMDA）表现出强烈的学习能力受损和记忆能力缺陷（图2a-d）。同时，在记忆编码和提取过程中，theta波段和gamma波段振荡功率虽然有所增加，但和正常小鼠相比大幅降低。且HPC损伤小鼠中，学习诱导的皮层gamma与theta节律耦合被消除，不同功能脑区的gamma节律相位同步消失（图2e-i）。此外，作为海马-大脑皮层“通道(gateway)”的外侧内嗅皮层(lateral entorhinal cortex, LEC)也参与记忆编码，基于cross-correlation互相关分析发现，在学习过程中，dHPC/LEC的theta节律出现的时间早于皮层脑区，背侧海马theta节律引发LEC中的theta波段（图2j）。这些结果提示了，海马对于空间记忆的重要作用，并参与学习相关的皮层神经网络振荡的调节。

接下来，作者借助病毒载体示踪技术，在Rbp4-Cre鼠（Rbp4特异性表达于L5神经元）LEC区注射AAV-DIO-EYFP，发现LEC到大脑皮层各不同功能区均有投射（图2k）。而先前研究报道，海马dCA1和vCA1均投射到LEC深层，这提示了LEC在调节HPC介导的皮层脑电波同步的重要作用。

进一步，研究人员在Rbp4-Cre鼠LEC注射AAV-DIO-oCHiEF-mCherry，并埋入光纤，同时给予HPC损伤处理。结果发现，光遗传激活L5 LEC神经元或其传出纤维，可诱导皮层LFP，同时，25Hz和30Hz的光遗传刺激比10Hz能诱发出更强的多皮层脑区gamma相位同步（图2l-o）。这提示了，光遗传刺激诱导的相锁值(phase locking value, PLV)节律性与内源性记忆编码和提取过程中theta调节的PLV节律相似。虽然HPC损伤消除了新皮层的theta与gamma的相位同步，但光遗传激活L5 LEC轴突末端能够产生诱导同步振荡信号(induced Synchronized Oscillatory Signal, iSOS)，以重建HPC损伤小鼠的皮层远程相位同步（图2p）。

图2 在海马损伤小鼠中，海马依赖的远程皮层gamma相位同步由L5 LEC调控并以iSOS机制重建

人为诱导皮层同步帮助海马损伤小鼠形成新记忆

为探究LEC介导的新皮层gamma相位同步对海马介导的情境性恐惧记忆的重要作用，研究人员通过小鼠颅窗给予470nm LED光照刺激同时激活LEC到皮层各目标脑区（人为诱导iSOS）。结果发现，这些数据表明，iSOS治疗恢复了海马损伤小鼠长期情境性恐惧记忆的编码和存储（图3a-d）。

此外，在空间记忆任务中，iSOS治疗能够帮助海马损伤小鼠形成并检索隐藏食物的空间信息（图3f-g）。这些行为学结果提示了，iSOS治疗和LEC轴突介导的远程gamma相位同步能够协调在小鼠新皮层中存储情境性记忆和空间记忆信息，从而成功地完成记忆提取。

图3 iSOS治疗可以改善海马损伤小鼠的记忆缺陷

随后，作者探究了是大脑皮层脑电波同步，还是LEC轴突末端的激活，参与了海马依赖的皮层记忆储存。研究人员对两组海马损伤小鼠进行连续训练，要么给予iSOS治疗，要么借助光遗传学技术非同步地激活LEC-MO和LEC-VIS的轴突末端（图4a）。结果显示与非同步激活LEC轴突末端处理相比，经iSOS治疗的海马损伤小鼠表现出更优的学习能力和记忆能力（图4b-f）。提示了远程皮层脑电波同步才是空间记忆存储的关键。

图4 iSOS治疗改善海马损伤小鼠的空间记忆缺陷

记忆细胞的活动与脑电波同步具有高度的相关性

接下来，作者还研究了记忆细胞的活动与脑电波同步的相关性。研究人员在空间记忆任务中设置了预探索阶段(pre-exploring)，结果显示，该研究还发现记忆细胞的活动与脑电波同步具有高度的相关性，暗示同步可同时激活多脑区的记忆细胞从而帮助大脑唤起整个记忆网络。有意思的是，研究还发现这些记忆细胞编码小鼠自我为中心的空间信息，例如某个神经元群总是在某个物体位于小鼠身体的左侧时发放（图5）。

图5 大脑皮层记忆细胞的活动与脑电波同步高度相关性，并在记忆重提过程中表现出自我为中心的编码

最后，研究人员借助化学遗传技术验证LEC介导记忆重现过程中的必要性。研究人员在c-Fos-Cre^ER小鼠LEC区注射AAV-hSyn-hM4D(Gi)-mCherry，CNO抑制LEC活动，发现小鼠表现出记忆缺陷（图6a-c）。同时，LEC活动受到抑制导致预探索阶段标记记忆印迹神经元的再激活减少，也降低了“记忆提取”测试中在预探索阶段标记的皮层记忆神经元的活动频率，消除了记忆印迹细胞的活动与远程gamma相位同步的相关性（图6d-i），提示了海马-外侧内嗅皮层通过gamma同步帮助皮层记忆形成与提取。记忆编码的每个皮质区域的部分上下文信息通过gamma同步进行整合，从而形成完整的记忆表征。

图6 LEC介导的脑电波同步对于大脑皮层记忆细胞的再激活和记忆恢复至关重要

结论

本文借助转基因模型鼠、空间记忆任务等行为学范式、病毒载体示踪技术、光遗传学、化学遗传学等多种技术手段，研究发现，在记忆过程中小鼠不同脑区的脑电波变得同步。后续研究发现了海马体实现记忆写入的重要机制：这种脑电波同步其实是海马和外侧内嗅皮层诱导的，实现皮层各脑区之间的相互通讯，从而促进记忆大脑网络形成。此外，该研究还发现记忆细胞的活动与脑电波同步具有高度的相关性，暗示同步可同时激活多脑区的记忆细胞从而帮助大脑唤起整个记忆网络。最后，研究发现人为诱导皮层同步即可帮助海马破坏的小鼠形成新记忆。

研究挑战了长期以来对海马体短期存储记忆信息的主流猜想，支持了海马提供了记忆索引（indexing）信息，帮助皮层记忆网络进行有效记忆存储与提取的重要机制。该研究印证了人类脑电波研究和多项理论研究推测，即脑电波同步可能对学习记忆有促进作用，由于人体实验的限制性，该推测此前没有确切的实验数据支持和具体的机制，该研究给出十分详细的数据支持脑电波同步在学习记忆中的作用。同时，也为阿尔兹海默症病人（海马体萎缩，记忆力下降）提供治疗的可能性。

上海科技大学生命科学与技术学院管吉松教授为本文的通讯作者，上科大博士后罗文翰、韵迪为本文的共同第一作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29208-5#Sec35

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