人工冬眠揭示与记忆保持相关的突触印记结构

《SCIENCE》：Artificial hibernation reveals synaptic engram architecture associated with memory retention

　　

编辑总结

在结构不断变化的脑组织中，究竟是什么物理机制让记忆得以留存？Lin等人通过诱导小鼠进入人工冬眠状态，试图找出记忆保留的物理基础。冬眠状态会降低神经元活性，导致海马体中的树突棘和突触大量消失。有趣的是，当小鼠从冬眠中苏醒后，其记忆依然存在，而且研究团队发现有一部分空间上聚集在一起的突触对得到了优先保留。此外，超过80%的消失的树突棘在苏醒后又重新出现在原来的位置。这些结果表明，突触记忆痕迹对于记忆存储至关重要。——Mattia Maroso

结构化摘要

引言

了解记忆是如何储存在大脑中的，是神经科学领域的核心挑战之一。人们普遍认为，突触连接的长期变化构成了记忆的结构基础。然而，最近的研究表明，突触其实具有高度动态性：树突棘会频繁出现和消失，神经元的表征会随时间发生变化，而即便之前强化的突触连接被破坏，记忆仍然可以被提取。这些观察结果引出了一个根本性问题：在神经元网络发生大规模结构重塑的情况下，记忆为何仍能保持稳定？

研究思路

冬眠状态为研究记忆稳定性的结构基础提供了一个有力的实验模型。在冬眠期间，神经元活性会大幅下降，大量突触也会消失，但当动物恢复到正常生理状态后，其记忆依然完好无损。为了探究在如此极端的神经网络重塑情况下记忆是如何被保留的，我们使用了能够可控诱导这种低代谢、低温状态的小鼠人工冬眠模型。同时，我们将这种状态与另一种会引发突触丢失并导致记忆障碍的处理方式进行了对比。通过分析不同条件下的神经元活性、突触结构及连接情况，我们试图找出有助于记忆保留的结构特征。

研究结果

人工冬眠会导致神经元活性显著下降，海马体中的突触也有超过一半被消除。尽管发生了如此大规模的结构变化，小鼠依然保留着先前获得的记忆，以及与这些经历相关的神经元表征。此外，在人工冬眠过程中还出现了一种此前未被发现的突触重塑现象：无论大小如何，树突棘都会被清除，但许多树突棘在苏醒后又重新出现在原来的位置。值得注意的是，负责存储记忆的神经元之间的突触连接会形成空间上聚集的群体。这些群体通常与多突触轴突结点相关联，构成一种独特的结构特征，并且在重塑过程中会被优先保留。相反，在导致记忆障碍的条件下引发突触丢失时，这种聚集结构就会遭到破坏。

结论

这些研究结果表明，即便出现广泛的突触丢失，记忆依然可以保持稳定，同时我们发现，存储记忆的神经元之间形成的聚集突触连接是与记忆保留相关的结构特征。大脑或许并非仅仅依靠单个突触的强度来存储记忆，而是通过嵌入在神经元网络中的更高阶结构架构来实现记忆存储。

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在人工冬眠期间的极端神经元重塑过程中，存储记忆的神经元的突触架构依然能够保持完整。

(最上行）小鼠苏醒后记忆依然完好。（第二行）冬眠期间神经元活性被抑制。（第三行）超过一半的树突棘和突触被消除。（第四行）苏醒后空间映射依然完整。（最下行）以聚集的存储记忆突触和对及其多突触结点为特征的独特突触架构得以保留。[该图由Biorender.com制作]

摘要

记忆会在突触层面留下持久的物理变化。虽然较大的树突棘被认为有助于记忆存储，但树突棘的高更新率以及记忆形成后神经元表征的漂移现象，都提示可能存在其他机制。为揭示记忆保留背后的结构基础，我们使用了小鼠人工冬眠模型。在冬眠期间，海马体神经元の活性会大幅下降，树突棘和突触也会大量消失。尽管发生了这些变化，它们的记忆以及相关的海马体神经元表征依然完好。我们发现，那些与多突触结点存在突触连接的树突棘子集能够在冬眠期间得以保留。这些研究表明，是突触记忆架构本身，而非较大的树突棘，才具备抵御网络重塑的能力，并与长期记忆保留相关。