光遗传学激活恢复睡眠剥夺所致长期社会识别记忆提取障碍

《SCIENCE ADVANCES》：Restoring access to long-term social recognition memories disrupted by sleep deprivation

　　

长期社会记忆对于建立和维持社会关系至关重要，社会性失忆可扰乱日常生活。研究人员采用一种新范式研究这些海马（hippocampus）依赖的记忆，证明小鼠能够区分多次社会经历，即使这些经历发生于数日内的相同情境中。社会化后立即发生的睡眠剥夺（sleep deprivation, SD）破坏记忆巩固（consolidation），导致社会性失忆。在睡眠剥夺期间使用美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）批准的磷酸二酯酶4（phosphodiesterase type 4, PDE4）抑制剂罗氟司特（roflumilast）处理可保护记忆巩固，而在测试前立即给药则可暂时逆转社会性失忆。光遗传学再激活齿状回（dentate gyrus, DG）印迹细胞可恢复社会记忆提取，并实现个体记忆的选择性提取。此外，利用两种基于cFos的印迹标记策略，研究人员发现睡眠剥夺选择性影响经历特异性印迹的再激活，而不影响印迹形成或重叠。这些结果表明，印迹再激活受损促成睡眠剥夺诱导的社会性失忆，并强调海马齿状回在单一情境中维持和区分社会经历中的作用。

社会识别记忆（social recognition memory, SRM）是体现社会动物生存优势的核心认知功能，指个体识别并记住特定社会经历的能力，其在建立社会联结、促进合作及维护稳定关系方面具有关键作用。然而，现有研究对长期社会记忆如何在数日尺度上得以保持尚缺乏深入理解，现有实验范式多局限于数小时内的记忆检测，难以有效评估跨越数日的长时程社会记忆。与此同时，现代社会睡眠剥夺（sleep deprivation, SD）现象日益普遍，明确睡眠缺失对个体长期社会记忆的调制作用具有重要的科学价值与社会意义。为应对上述挑战，研究人员开发了一种新型实验范式，旨在系统考察小鼠在相同情境下对多次社会经历的区分能力，并探究睡眠与睡眠剥夺影响长期社会识别记忆的神经生物学机制。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》。

为开展此项研究，研究人员采用了以下主要关键技术方法：小鼠行为学范式、基于cFos-tTA/TRE系统的活动依赖性印迹标记技术、光遗传学刺激技术、双病毒载体的交叉标记策略、免疫荧光组织化学与自动化细胞计数分析，以及批准用于临床的PDE4抑制剂罗氟司特的系统性给药。

在社会化后立即经历6小时睡眠剥夺损害长期社会识别记忆方面，研究人员首先建立了基于小鼠对新异同类偏好的三箱社交行为学范式。实验显示，社会化阶段测试小鼠显著偏好探索新异刺激鼠而非熟悉同伴鼠；24小时后的记忆测试中，非睡眠剥夺组小鼠对两者探索时间均等，表明成功形成社会识别记忆。而社会化后立即经历6小时睡眠剥夺的小鼠在记忆测试中仍显著偏好新异刺激鼠，提示记忆提取受损。该结果证实长期社会记忆易受睡眠剥夺影响，与睡眠剥夺损害其他类型长期记忆的既往发现一致。

光遗传学再激活齿状回印迹细胞可恢复睡眠剥夺所致社会识别记忆障碍方面，研究人员利用cFos-tTA转基因小鼠，在社会化前撤除多西环素（doxycycline, dox）以标记齿状回印迹细胞，社会化后恢复dox饮食防止额外标记。睡眠剥夺小鼠在记忆测试前5-10分钟接受光遗传学刺激后，对刺激鼠和同伴鼠探索时间均等，实现成功记忆提取；而未刺激组仍表现偏好。对照实验证实，该恢复效应依赖于功能性通道视紫红质（channelrhodopsin-2, ChR2）的表达。此结果表明睡眠剥夺所致社会性失忆主要源于记忆提取障碍而非信息丢失，记忆以弱化、不可访问的状态持续存在，直接刺激印迹可强化减弱的功能连接从而恢复提取。

FDA批准PDE4抑制剂罗氟司特治疗可恢复睡眠剥夺后社会识别记忆方面，研究人员基于环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）信号对海马依赖记忆巩固与提取的关键作用，以及PDE4降解cAMP的功能，设计了三组实验。第一，社会化后立即及3小时后两次腹腔注射罗氟司特（0.03 mg/kg）或溶剂对照，发现罗氟司特可在睡眠剥夺期间保护记忆巩固。第二，记忆测试前30分钟单次给药可在测试当天及5天后均恢复睡眠剥夺小鼠的记忆提取。第三，记忆测试前给药不影响非睡眠剥夺小鼠表现。该发现扩展了PDE4抑制挽救空间记忆缺陷的研究框架，证实罗氟米拉斯对社会记忆同样有效，且睡眠剥夺后的记忆以亚最优状态持续存留。

光遗传学刺激齿状回印迹细胞通过增强印迹再激活实现社会记忆的持久提取方面，研究人员探索了实现长期记忆访问的策略。社会化-睡眠剥夺后3天，小鼠分别接受：假刺激+罗氟司特、光遗传刺激+溶剂、或光遗传刺激+罗氟司特处理，5天后进行无干预记忆测试。结果显示，仅罗氟司特组未能恢复记忆；而光遗传刺激单独及联合给药组均成功提取记忆，表明光遗传激活足以实现长期恢复。机制上，仅罗氟司特组表现mCherry标记印迹细胞与测试期cFos⁺神经元共定位不高于随机水平，而另两组显著升高，尤以齿状回上叶为著，证实光遗传干预恢复了印迹再激活。进一步采用交叉设计，对首次光遗传刺激后6天的小鼠换组处理，发现单次光遗传激活即足以使记忆提取在更长时程内持续可及，且不同时间点激活均能达到同等恢复效果。

光遗传学再激活齿状回印迹细胞恢复编码个体社会经历的记忆访问方面，研究人员扩展范式以考察多次社会经历的区分。小鼠经历两阶段社会化（各含不同新异刺激鼠），均后进行睡眠剥夺，6天后记忆测试发现两组均不能区分两次经历。进而对第一阶段或第二阶段进行印迹标记，光遗传激活标记印迹后，小鼠选择性更多地探索未标记刺激鼠，实现特定记忆的恢复性提取。该结果证明小鼠能够区分相同情境下的多次社会经历，且睡眠剥夺后多个体记忆信息仍被保留。

睡眠剥夺减弱编码多次社会经历的齿状回印迹再激活方面，研究人员采用cFos-tTA/TRE-mCherry与tamoxifen诱导Cre依赖EGFP的双标记系统，首次实现同一动物内两次社会经历的独立标记。行为与细胞学分析揭示：睡眠剥夺不改变印迹形成（EGFP⁺或mCherry⁺细胞比例）及两印迹间的重叠程度；记忆测试期总体cFos⁺细胞比例亦无组间差异；但睡眠剥夺显著降低cFos与标记印迹细胞的共定位水平（虽仍高于随机），表明睡眠剥夺选择性损害经历特异性印迹再激活而非印迹形成本身。

在讨论部分，研究人员指出该行为表型不能由睡眠剥夺对运动、焦虑或应激的非特异性效应解释：睡眠剥夺发生于社会化后而非测试前，且睡眠剥夺小鼠总社交探索时间未减少，仅探索分配模式发生改变，指向记忆特异性提取障碍。既往研究表明温和操作法睡眠剥夺不升高糖皮质激素至昼夜波动范围以上，且阻断糖皮质激素合成仍不能挽救记忆损伤，佐证了睡眠剥夺而非应激的主导作用。

关于睡眠支持齿状回社会表征稳定性的机制，研究人员推测快速眼动（rapid eye movement, REM）睡眠期海马再激活促进社会记忆巩固，非快速眼动（non-REM, NREM）睡眠期的协调活动贡献于记忆表征稳定；而尖波涟漪（sharp-wave ripples）期间的神经元集群再激活可能在睡眠剥夺后减弱或缺失，导致内源性印迹再激活受损。光遗传再激活可能绕过减弱的内源性再激活，直接重建印迹活动模式；罗氟司特则可能增强cAMP依赖的突触可塑性与长时程增强（long-term potentiation, LTP）信号。

研究结论部分翻译如下：本研究中，研究人员证明小鼠能够形成持久的社会记忆并在数日后识别先前遇到的个体，且同一情境中形成的多次社会经历作为独立记忆被保留。巩固期睡眠剥夺破坏长期社会识别记忆，但这种巩固障碍反映的并非记忆本身的丢失，而是测试时提取的失败。在机制层面，社会记忆表现可通过测试前药理学抑制PDE4信号（使用FDA批准的PDE4抑制剂罗氟司特）暂时恢复，以及通过光遗传学再激活齿状回印迹细胞更为持久地恢复；此外，睡眠剥夺期间使用罗氟司特处理可使记忆巩固抵抗睡眠剥夺的负面影响。通过独立标记与连续社会经历相关的神经元集群，研究人员发现睡眠剥夺不损害或改变印迹形成，也不改变集群间的重叠程度，而是选择性减弱提取时的经历特异性印迹再激活。综上所述，这些发现强调海马齿状回在形成长期社会记忆以及区分同一情境中个体社会经历方面的关键作用，并扩展了既往关于空间记忆的研究矩形研究结果，表明睡眠剥夺导致信息提取失败而非信息丢失。