《Neuron》| 北京生命科学研究所罗敏敏组发现新的记忆表达调控的神经环路

        包括人在内的所有动物都能通过学习来不断适应复杂的环境。学习的结果以形成记忆的方式所储存。记忆能够在相类似的情景中被唤起，得以表达，并指导未来的行为选择。学习与记忆的异常是造成多种精神疾病的主要原因，毒品成瘾便是其中一个典型的例子。毒品通过强烈的快感和痛苦的戒断反应绑架正常的学习过程，促使毒瘾患者不断寻找和摄入毒品，产生与毒品相关的病态记忆。这些病态记忆的表达进一步加剧毒瘾患者对毒品的依赖，难以戒断，易于复吸。研究记忆，尤其是记忆表达的神经环路机制，对我们了解自身大脑对外界刺激的运作以及相关疾病的治疗都具有十分重要的意义。
 

        2020年3月6日，北京生命科学研究所罗敏敏实验室在国际权威学术期刊《Neuron》上在线发表题为“The Raphe Dopamine System Controls the Expression of Incentive Memory”的研究论文。该研究发现一群位于中缝背核的多巴胺神经元控制奖赏和惩罚相关记忆的表达，并在此基础之上揭示了一条由臂旁外侧核谷氨酸神经元投射至中缝背核多巴胺神经元的神经通路以及该通路调控奖赏相关记忆表达的机制。
 

 

        多巴胺是神经系统中主要的神经调质之一，广泛参与学习、记忆、情绪、奖赏处理等神经过程的调节。位于中脑腹侧被盖区的多巴胺神经元是中枢神经系统中最主要的多巴胺神经元群体。经典研究表明，腹侧被盖区多巴胺神经元通过编码奖赏预测误差（reward prediction error, RPE）驱动学习及其相关记忆的形成，尤其是奖赏相关记忆的形成。腹侧被盖区多巴胺神经元也是成瘾性药物的主要作用靶点，例如阿一片类药物和可一卡因都是通过促进腹侧被盖区多巴胺神经元释放多巴胺进而产生成瘾。相对于其在奖赏记忆形成中扮演的重要角色，多巴胺系统以及腹侧被盖区多巴胺神经元是否参与记忆的表达并不清楚。
 

        罗敏敏实验室的前期研究主要关注中缝背核神经元在处理奖赏和惩罚信息中的功能。中缝背核为腹侧被盖区的上游核团，其中分布有中枢神经系统中最主要的五羟色胺神经元群体。研究人员注意到在中缝背核中也存在有一定数量的多巴胺神经元。相对于腹侧被盖区多巴胺神经元，中缝背核多巴胺神经元数量较少，并且被一些前期研究认为是腹侧被盖区多巴胺神经元的延伸，在以往研究中这些神经元长期被忽略。其行为学功能，特别是是否参与学习与记忆过程，并不明确。
 

1. 中缝背核多巴胺神经元为独立的中脑多巴胺神经元群体并编码奖赏和惩罚信息

        研究人员首先与华中科技大学龚辉教授领导的fMOST团队合作，利用前期开发的单细胞重构技术，详细描绘了中缝背核多巴胺神经元的形态学特征。研究结果确认中缝背核多巴胺神经元与腹侧被盖区多巴胺神经元有着截然不同的形态和投射特性，为一个独立的多巴胺神经元群体，主要投射到终纹床核和杏仁核中部。接下来，研究人员在中缝背核多巴胺神经元中特异性地表达钙离子探针GCaMP6m，结合体光纤记录技术，对这些神经元在小鼠行为中的活性变化进行观察。研究人员发现中缝背核多巴胺神经元能够被奖赏和惩罚激活。有趣的是，在小鼠经历关联性学习后，与奖赏或惩罚相关的刺激也能够激活中缝背核多巴胺神经元，提示这群神经元可能参与了学习和记忆。
 

2. 中缝背核多巴胺神经元调控记忆的表达

        研究人员利用遗传特异性损毁技术（AAV-FLEX-taCasp3-TEVp）和光遗传学抑制技术（AAV-CAG-DIO-GtACR1-P2A-GFP）探究中缝背核多巴胺神经元的行为学功能。在高脂食物诱导的条件性位置偏好（HFF-induced CPP）和条件性恐惧（fearconditioning）行为范式中，结果显示中缝背核多巴胺神经元的缺失显著影响与食物奖励或电击惩罚相关记忆的表达。进一步，研究人员发现这些神经元也参与调控阿一片类药物成瘾相关记忆的表达：当成瘾小鼠进入与吗一啡相关的环境，中缝背核多巴胺神经元活性上升；损毁或抑制这些神经元显著影响与阿一片类药物快感或药物戒断相关记忆的表达。

3. 来源于中缝背核的多巴胺神经递质信号调控记忆表达

        为了确认中缝背核多巴胺神经元的行为学功能是否由其所释放的多巴胺神经递质所介导，研究人员采用北京大学李毓龙实验室最.新开发的遗传编码多巴胺荧光探针（AAV-hSyn-GRABDA2m），结合在体光纤记录技术，首次在中缝背核的两个下游核团终纹床核和杏仁核中部检测到由奖赏和惩罚所引起的多巴胺释放。在此基础之上，利用腺相关病毒介导的CRISPR-Cas9在体基因编辑技术（AAV-CMV-SaCas9-U6-sgRNA-TH）敲除中缝背核中的多巴胺合成途径，实验小鼠的奖赏与惩罚记忆以及阿一片类药物成瘾记忆的表达均受到显著影响，证明来源于中缝背核的多巴胺神经递质信号在调控记忆表达中的重要作用。

4.臂旁外侧核谷氨酸能神经元至中缝背核多巴胺能神经元通路调控奖赏记忆的表达

        研究人员以吗一啡作为切入点，利用基于狂犬病毒（AAV2-EF1a-DIO-RVG-WPRE-pA和RVdG-GFP）的筛选方法，鉴定出一条由臂旁外侧核谷氨酸能神经元投射至中缝背核多巴胺能神经元的神经通路。研究人员利用RV追踪中缝背核多巴胺神经元的上游输入，并比较注射生理盐水的对照组和注射吗一啡的实验组之间RV标记的上游核团中神经元数量的区别。吗一啡摄入显著增加了臂旁外侧核中RV标记的神经元数目，提示阿一片类药物依赖加强了臂旁外侧核与中缝背核多巴胺神经元的连接。离体电生理实验发现，吗一啡摄入显著提高了投射到中缝背核的臂旁外侧核谷氨酸能神经元的兴奋性，进而介导了这条神经通路的增强。行为学实验表明这条神经通路特异性调控奖赏相关记忆的表达：利用神经毒素（AAV-DIO-GFP-2A-TeNT）或化学遗传学方法（AAV-fDIO-hM4Di-mCherry）抑制这条通路，能够阻断与食物相关记忆以及吗一啡摄入快感相关记忆的表达；抑制这条通路也破坏了中缝背核多巴胺神经元对奖赏信息的编码。
 

总结

        这项研究系统的探究了中缝背核多巴胺神经元的行为学功能，揭示了其调控记忆表达的神经环路机制，加深了我们对多巴胺系统功能的理解。研究团队使用了枢密科技的RV病毒工具，通过筛选，进一步发现了一条调控奖赏相关记忆表达的中脑神经通路，并为治疗药物成瘾提供了新思路。

原文链接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(20)30108-2

如有相关实验需求，或了解更多产品服务，欢迎咨询我们！