脑科学研究 | 中国科学院徐春组解析痕迹型恐惧关联学习的神经机制

近日，《Cell Reports》期刊在线发表研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室徐春研究组完成。该研究利用自由活动动物光遗传学和钙成像等技术，发现海马CA1脑区到下托（Subiculum，Sub）的神经环路参与痕迹型恐惧关联学习；CA1脑区和下托脑区对不连续事件间隔期内的信息维持和传递均有重要贡献，但CA1脑区对学习后恐惧记忆的形成和存储更加重要。该研究揭示了不连续事件关联学习的神经机制，为传统关联学习和记忆形成的神经机制提供了新的理解和理论基础。

在现实生活中，人们时常需要将前后间隔发生的事件进行关联，形成联合型情景记忆。记忆形成后，人们可以根据先前信息去预测后续事件发生，从而及时做出行为反应。在神经科学研究中，研究者常用痕迹型条件恐惧行为范式（Trace fear conditioning，TFC）来研究这种不连续事件关联学习的神经机制。TFC不同于经典的巴甫洛夫延迟型条件恐惧行为范式（Delay fear conditioning，DFC）。

在DFC中，条件性刺激CS（比如声音）和非条件性反射刺激US（比如疼痛电击）之间没有时间间隔。而在TFC恐惧行为范式中，CS与US之间存在一段几秒到几十秒的时间间隔，这段时间间隔被称为痕迹（trace）。痕迹越长，关联学习的难度越大。与DFC相比，TFC需要涉及到更多的高级认知功能，比如工作记忆和时间表征等，其神经机制也更加复杂。基于TFC逻辑的行为范式也常用于神经退行性疾病的认知测试以及情绪异常的精神疾病研究。因此，了解其背后的神经机制对相关领域的理解和应用都有重要的参考作用。

徐春研究组利用神经环路示踪和光遗传行为学等方法，发现光遗传学抑制CA1投射到Sub的神经末梢可以阻碍CS与US的关联学习（图1A-B），确定了CA1到下托Sub的神经环路对TFC成功学习有至关重要作用。研究团队通过自由移动头戴式钙成像（miniscope Ca2+ imaging）技术，分别在CA1和Sub脑区全程记录了兴奋性神经元在TFC行为训练当中的神经活动。研究发现CA1和Sub的神经元在CS结束后都有延续性的神经活动，这可能是海马脑区维持短时记忆信息的基本表现特征（图1C-D）。

更重要的是，CA1和Sub神经元展现出了以下几方面的神经可塑性：（1）CA1和Sub脑区中对CS和trace有明显反应的神经元数量随着学习进行而增加。其中，CA1神经元的活跃比例还与恐惧记忆形成的强度呈现正相关性（图1E-F）；（2）CA1的神经元在trace阶段的群体活动特征也逐步变得与CS阶段的群体活动特征相似（图1G），这表明trace阶段的CS信息维持得到了提高；（3）随着TFC学习的进行，CA1和Sub神经元在trace阶段的最高活动时间点逐渐向后延迟，向US发生时间点靠近。这将有助于CS信息与US形成关联记忆（图1H）。

图1：CA1-Sub环路参与痕迹型恐惧关联学习。（A-B）光遗传学抑制CA1-Sub环路阻碍CS与US的关联学习。（C-D）利用头戴式钙成像显微镜，在自由移动动物中发现海马神经元在CS和trace阶段均展现出显著的神经活动。（E-F）CA1脑区中对CS和Trace都有反应的神经元在学习过程中比例增加，并且与形成的记忆强度成正相关。（G）CA1神经元在trace阶段的神经活动与CS阶段神经元活动在编码空间上的距离随着学习变得相近。（H）神经元在trace阶段的最高活动时间点随着学习逐步后移。

非条件刺激US是学习过程中形成关联学习的强化因子。研究团队还发现，CA1脑区的US反应细胞的数量随着学习逐步增加，并与恐惧记忆形成的强弱相关。而这一现象在Sub脑区的US反应细胞中并不存在（图2A-D），这说明CA1细胞参与了US信息的编码和记忆储存。究其原因，CA1脑区中对US刺激表现出稳定反应的神经元远多于Sub（图2E-F），这可能是CA1深度参与US相关的恐惧记忆的深层原因。

图2：CA1和Sub对US神经活动反应的差异性与恐惧记忆形成的关系。（A-B）CA1中对US有反应的神经元随着学习逐步增加，其比例与恐惧记忆形成相关。（C-D）Sub中对US有反应的细胞数量与恐惧记忆的形成不相关。（E-F）CA1神经元中对US的反应类型（E）。Stable为稳定型反应，Down为下调型反应，Up为上调型反应，Down和Up二类构成了Plastic类别。CA1中对US有稳定反应的细胞比例高于Sub（F）。

徐春研究团队的研究表明CA1-Sub环路对不连续事件的关联学习有重要作用。CA1和Sub神经元在外界刺激信息结束后都具有一定的信息维持能力。更关键的是，这种信息维持能力在学习过程中可以被逐步加强，也持续得更加持久。与Sub神经元相比，CA1神经元对恐惧记忆的储存起到了更大的贡献作用。这些结果揭示了海马脑区在不连续事件关联学习中重要作用和神经环路机制，也丰富了学习与记忆研究的生物学基础理论。

来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124723008641

转自：“威斯腾生命科学研究院”微信公众号

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