海马成体神经干细胞活动与睡眠期间维持记忆巩固的因果关系

        研究表明睡眠促进记忆巩固，增强记忆能力，而海马是记忆形成的关键脑区。因此关于海马的结构和功能在睡眠促进记忆的研究中受到广泛关注，海马DG区神经再生研究便是其中之一。

        尽管存在争议，但是人类海马组织样本和动物海马组织样本在出生到成年直至老年期间中确实观察到了神经再生。海马DG区成体新生神经元（ABN）在大脑中具备独特的可塑性，这种可塑性能够使海马功能多样化。与完全成熟的ABN相比，年轻的ABN突触可塑性增强，可能优先被招募到记忆痕迹中。
 

        2020年5月筑波大学国际综合睡眠医学研究所Masanori Sakaguchi研究团队在Neuron杂志上发表文章，发现了海马成体神经干细胞的活动与睡眠期间维持记忆巩固的因果关系。

        目前少数实验室能够实现在体观察神经干细胞的钙离子活动，为了实现这种功能研究，研究人员将Nestin-cre小鼠和GCaMP3-loxp小鼠杂交后（称为Nestin-GCaMP3小鼠）观察神经干细胞的钙离子活动，结果发现小鼠在清醒状态下年轻神经干细胞（ABN）的钙离子活动较弱（4周龄Nestin-GCaMP3小鼠），然而在睡眠的快速动眼期(REM)和非快速动眼期(NREM)期间钙离子活动更弱。
 

图1小鼠的情景型恐惧训练实验

        那么在记忆巩固阶段，年轻神经干细胞的钙离子活动是否发生变化？研究人员设计了很有意思的实验：一组小鼠在放入环境中后立即给与电击（称为IS组），另外一组小鼠放入环境中一段时间后再进行电击（称为DS组）。结果发现DS组小鼠表现出更加严重的僵直反应，与此同时与基线期相比，REM期神经干细胞钙离子活动明显减弱，而IS组并不存在这种变化。这些结果表明REM期神经干细胞的弱活动参与记忆巩固。
 

图2 光遗传学抑制神经干细胞活动
 

        根据上述研究结果，抑制神经干细胞的活性后，是否影响记忆的巩固？为了能够实现时间精度的沉默神经干细胞，研究人员将Nestin-cre小鼠和halorhodopsin-loxp小鼠杂交后在他莫昔芬的诱导下可在特定时间下抑制神经干细胞的活动。在REM期记忆巩固的时间窗内，抑制神经干细胞的活动后，小鼠的记忆出现障碍，在清醒和NREM期并不存在这种损害。研究人员推测这种抑制可能通过改变睡眠的模式特点影响记忆的巩固，但是在实验中发现即便是沉默神经干细胞活动，小鼠的睡眠特点并未受到影响。

        先前研究表明REM睡眠期间海马theta振荡节律的神经元活动调控记忆巩固的方式。但是研究人员发现抑制神经干细胞的活动在记忆巩固期海马theta振荡活动依然很强。这些结果表明REM期神经干细胞的弱活动既不通过睡眠模式，也并不通过海马theta振荡的神经元活动促进记忆巩固。

        成体神经干细胞可精准调控海马DG区神经元活动，并诱导REM期基因表达。因此研究人员通过转录组学技术分析了在记忆巩固期抑制神经干细胞活动后DG区基因表达的情况，基因表达下调的主要是即早基因家族成员，这些基因影响神经元活动或突触可塑性。随后，形态学结构分析表明神经干细胞的树突棘的颈部长度增加，树突棘的密度并未发生变化。这些结果表明神经干细胞可能在REM睡眠期间经历突触修饰，从而实现记忆巩固。
 

图3 神经干细胞影响记忆巩固的机制示意图
 

        总的来说，本文通过在体钙成像实现神经干细胞的钙离子活动检测，并通过光遗传学在REM睡眠期间抑制神经干细胞后出现记忆障碍，从因果关系上证实神经干细胞的活性维持REM睡眠期间的记忆巩固。

图片来源：Neuron

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