J Neuroscience | CCK神经元在麻醉下跨模式联想记忆形成中的作用

2020
07/15

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米勒之声
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神经元连接的可塑性变化是记忆编码的生物学基础之一。

作者 | CYL

前言

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神经元连接的可塑性变化是记忆编码的生物学基础之一。2020年4月在The Journal of Neuroscience上发表了题为《Visuoauditory Associative Memory Established with Cholecystokinin Under Anesthesia Is Retrieved in Behavioral Contexts》的文章,证明了在麻醉状态下的啮齿动物中,胆囊收缩素(CCK)参与了视觉刺激与听觉皮层的电刺激或听觉刺激的关联,并且CCK在双项选择的任务中指导动物的选择行为,在跨模式联想记忆的形成中发挥重要作用。此外,还证明了内嗅皮层回路是这种神经可塑性的基础,这将有助于理解记忆形成和检索在大脑中的机制。

海马体系统由海马体和邻近的内嗅、鼻周和海马旁皮质组成1。内嗅皮层和鼻周皮层是海马体和新皮层之间的通道,并且与整个新皮层有很强的相互联系2。此前该研究团队发现,在大鼠听觉皮层中建立长期视觉-听觉联想记忆,关键依赖于内嗅皮层3。

内嗅皮层中有许多神经元含有CCK,其释放促进产生LTP和声音-声音联想记忆3。将CCK拮抗剂注入听觉皮层可防止这种视觉-视觉关联的形成3。CCK神经元是间神经元的一个亚类,在参与认知和记忆的关键脑区(包括mPFC),表达CCK神经元数量超过其他神经元4,5。CCK神经元在突触前高表达大麻素受体,提示CCK神经元在学习和记忆的突触可塑性变化中发挥作用6。在工作记忆表征的检索和使用过程中,需要CCK神经元活动来指导目标定向行为5。

本文中,研究人员在戊巴比妥麻醉的大鼠脑内注射CCK的情况下,将电刺激听觉皮层或声音刺激与视觉刺激配对。随后,研究人员对老鼠进行了测试,看它们是否能将这些信息作为联想线索,在双项选择任务中获得饮水奖励。然后,利用光遗传学研究了神经元是如何对相关的视觉刺激做出反应,以及哪些神经元类型参与了这种视-听联系。

实验方法和结果

一、CCK使麻醉下的大鼠建立了声音刺激和视觉刺激之间的联系

几十年来,人们一直在尝试诱导麻醉下的记忆,这也可能是麻醉下引起记忆消失的重要机制之一。本研究中,在大鼠麻醉状态下,研究人员在CCK输注时给予视觉刺激和听觉皮层电刺激,使其之间建立关联。

随后,大鼠利用听觉皮层电刺激和饮水奖励之间已有的联系,从而使用视觉刺激来引导它们获取饮水奖励。(图1)一般老鼠用5天时间才能达到0.85或以上的正确率。在脑内注射CCK后的3天测试中,当视觉刺激以低发生率随机呈现给大鼠时,大鼠表现出明显的倾向于接近目标侧。这种行为偏好反映了在CCK的影响下,视觉刺激成功地与目的侧的声音刺激相关联。

更具体地说,他们证明了这种可塑性背后的海马-皮质回路。尽管植入听觉皮层的视觉听觉联想记忆很快就反映在听觉刺激的神经元反应中,但这种关联要过几天才能反映在大鼠的行为中。

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图1. 输注CCK配对视觉刺激和声音刺激组和阴性对照组的实验设计示意图。在麻醉条件下,大鼠首先全身给予CCK,并在靶侧配对视觉刺激和声音刺激;然后全身注射生理盐水,在非靶侧配对视觉刺激和声音刺激。在双项选择任务中,左边或右边会引导老鼠接近相应的洞,从而找到饮水奖励。

二  视觉刺激与听觉皮层的激活配对后,听觉神经元对视觉刺激的产生相应的反应

在CCK输注和配对模式干预前后,作者监测听觉神经元对视觉刺激的反应的神经电活动。在清醒的大鼠中,听觉皮层神经元在干预前对视觉刺激没有反应,但在干预后对视觉刺激有反应,建立了视-听联系。(图2)

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图2. 神经元视听刺激配对前后对视觉刺激的反应。Z分数是根据视觉刺激后200毫秒内平均神经元放电和相同时间内自发放电的差异计算的。

在视觉刺激和激光刺激听觉皮层成对出现后,输注CCK后听觉皮层中的视觉刺激神经元反应发生了变化,而在输注人工脑脊液后没有发生变化。(图3)

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图3. 在CCK输注的情况下,配对视觉刺激和激活听觉神经元增强了听觉皮层中视觉刺激的神经元反应。E. 光栅图显示了在CCK输注前(左)和后(右)视觉刺激和听觉皮层刺激配对时的神经元反应。中间的面板显示了配对的过程。F. Z分数显示CCK输注后视觉刺激和听觉皮层刺激配对前后,或人工脑脊液输注后视觉刺激和听觉皮层刺激配对前后视觉刺激的神经元反应。Z分数的计算是基于在视觉刺激后20毫秒的平均神经元放电和相同时间的自发放电之间的差异。

三、 高频刺激触发听觉皮层内嗅CCK神经元末梢,使神经元对视觉刺激的反应增强

研究人员观察到对CCK-ires-Cre (CCKtm1.1(Cre)Zjh/J, C57背景,条件性敲除CCK) 小鼠视觉皮层中对听觉刺激有反应 (图4L,右),但在CCK-/-小鼠的听觉皮层中几乎没有反应(图4M,右)。说明CCK-/-小鼠听觉皮层的弱视觉反应可能反映了CCK缺乏引起的跨模态关联的缺陷。

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图4. 对CCK-ires-Cre小鼠和CCK-/-小鼠的听觉皮层进行声音刺激和视觉刺激的fEPSP。

CCK-ires-Cre小鼠在高频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对后,神经元对视觉刺激的反应增强。在低频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对后fEPSP斜率没有变化。相反,用同样的操作方法,在CCK -/-小鼠的听觉皮层中没有观察到对视觉刺激的神经元反应增强,这表明CCK是高频刺激诱导的视觉感受区电位信号(LFP)增强的关键分子。然而,即使在配对之前,CCK-ires-Cre小鼠和CCK-/-小鼠之间,fEPSP相对于视觉刺激的斜率存在巨大差异,这表明CCK-/-小鼠不同形态之间的皮质关联连接可能存在缺陷。

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图5. 高频刺激使神经元对视觉刺激的反应增强。N. 在高频视觉刺激/电刺激听觉皮层和低频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对之前(左)和之后(右)有代表性的fEPSPs。O. 在CCK-ires-Cre小鼠中,高频视觉刺激/电刺激听觉皮层(红色)或低频视觉刺激/电刺激听觉皮层(蓝色)配对后fEPSPs的归一化斜率。P. 在CCK-/-小鼠中,高频视觉刺激/电刺激听觉皮层(红色)或低频视觉刺激/电刺激听觉皮层(蓝色)配对后fEPSPs的归一化斜率。Q. CCK-ires-cre和CCK-/-小鼠视觉刺激后的基线fEPSP斜率。

四、 麻醉过程中高频刺激诱导的LFP导致行为改变

研究人员在配对前预处理小鼠3天,然后比较配对前后对视觉刺激的行为反应。CCK-ires-Cre小鼠在高频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对后对视觉刺激的冷冻反应显著增加,但在低频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对后没有增加。在最后一次配对后的第4至7天,对视觉刺激的恐惧反应保持不变。然而,CCK -/-小鼠在高频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对后对视觉刺激的冷冻反应没有增加(图6)。

先前有研究表明,缺少CCK基因的小鼠在被动回避任务空间记忆受损,可以解释为大脑中记忆编码缺失的结果7。以上结果可以说明CCK在学习记忆中的关键作用。

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图6. 麻醉过程中高频刺激诱导的LFP导致行为改变。R. 恐惧条件反射和刺激方案。S,CCK-ires-Cre小鼠在高频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对后,对条件电刺激听觉皮层和配对视觉刺激的反应所花费的时间百分比增加。T. CCK-ires-Cre小鼠在低频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对前后,对条件电刺激听觉皮层和配对视觉刺激的反应所花费的时间百分比无统计学差异。U. CCK -/-小鼠在高频视觉刺激/电刺激听觉皮层配对前后对条件电刺激听觉皮层和配对视觉刺激的反应所花费的时间百分比无统计学差异。

五、在高频刺激激活内皮层-新皮层纤维后,视-听直接投射得到增强

研究人员发现在高频刺激后,fEPSPs在高频刺激后显著增强,而在低频刺激后没有增强。对内嗅CCK神经元末梢的高频刺激能够局部实现神经元可塑性变化,使听觉神经元在视觉刺激与电刺激听觉皮层配对后开始对视觉刺激做出反应,并且这种视听联系持续了3周。(图7)

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图7. 高频刺激可使视听直接投射增强。H. 在高频刺激(红色)或低频刺激(灰色)配对前后,对视觉投射终端引起的fEPSPs的归一化斜率。I. 具有代表性的单个fEPSPVALS 对高频刺激和低频刺激的反应。J. fEPSPVALS 归一化斜率的统计分析。K. 在高频刺激(绿色)或低频刺激(灰色)配对前后,对声音刺激引起的fEPSPs的归一化斜率。L. 具有代表性的单个fEPSPnoise 对高频刺激和低频刺激的反应。M. fEPSPnoise归一化斜率的统计分析。

总结

总之,这些结果表明,内嗅皮层对视觉-听觉联想记忆的建立具有重要的意义,发生这种改变的神经元功能改变可以部分解释行为相关的工作记忆。这些研究为记忆如何在新大脑皮层建立提供了一个新的视角。同时,在麻醉状态下CCK参与了视觉-听觉联想记忆的建立,也可以部分说明全身麻醉对联想记忆影响的作用机制,为麻醉期间记忆消失的研究提供了一个新的思路。

END


参考文献:

1.Squire LR, Zola-Morgan S (1991) The medial temporal lobe memory system. Science 253: 1380–1386.

2.Canto CB, Wouterlood FG, Witter MP (2008) What does the anatomical organization of the entorhinal cortex tell us? Neural Plast 2008: 381243.

3.Chen X, Guo Y, Feng J, Liao Z, Li X, Wang H, Li X, He J (2013) Encoding and retrieval of artificial visuoauditory memory traces in the auditory cortex requires the entorhinal cortex. J Neurosci 33: 9963–9974.

4.Whissell PD, Cajanding JD, Fogel N, Kim JC (2015) Comparative density of CCK- and PV-GABA cells within the cortex and hippocampus. Front Neuroanat 9: 124.

5.Nguyen Robin,Venkatesan Sridevi,Binko Mary et al. Cholecystokinin-Expressing Interneurons of the Medial Prefrontal Cortex Mediate Working Memory Retrieval. .J. Neurosci., 2020, 40: 2314-2331.

6.Bodor AL, Katona I, Nyíri G, Mackie K, Ledent C, Ha´jos N, Freund TF (2005) Endocannabinoid signaling in rat somatosensory cortex: laminar differences and involvement of specific interneuron types. J Neurosci 25: 6845–6856.

7.Lo CM, Samuelson LC, Chambers JB, King A, Heiman J, Jandacek RJ, Sakai RR, Benoit SC, Raybould HE, Woods SC, Tso P (2008) Characterization of mice lacking the gene for cholecystokinin. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 294: R803–R810.

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关键词:
CCK,神经元,联想,麻醉,记忆,视觉,皮层,刺激,听觉,高频

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