3月12日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)“深圳先進(jìn)院”）腦認(rèn)知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院劉暢團(tuán)隊(duì)在eLife雜志上發(fā)表題為：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究論文。
記憶鞏固與睡眠高度相關(guān)，且這種關(guān)聯(lián)在無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物中都存在。記憶鞏固是一個(gè)依賴(lài)于時(shí)間、將新形成的不穩(wěn)定的記憶向穩(wěn)定記憶的過(guò)程。睡眠作為影響記憶的最重要的生理過(guò)程之一，已被證明對(duì)記憶的幾個(gè)不同階段產(chǎn)生影響。且有研究表明，在睡眠期間，特定的腦區(qū)和神經(jīng)核團(tuán)會(huì)出現(xiàn)對(duì)某種記憶的神經(jīng)元發(fā)放特征重現(xiàn)的現(xiàn)象，被認(rèn)為是主動(dòng)的記憶鞏固過(guò)程。然而，將這兩個(gè)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的神經(jīng)機(jī)制在很大程度上仍不明確。盡管果蠅的大腦相對(duì)簡(jiǎn)單，但其行為的復(fù)雜性和基因操作的可行性使其成為剖析這類(lèi)問(wèn)題的理想模型。
多巴胺能神經(jīng)元在睡眠和記憶調(diào)控中均發(fā)揮重要作用。在果蠅中，劉暢研究員早期工作里鑒定了PAM多巴胺能神經(jīng)元（DAN）投射到蘑菇體（MB）水平葉，特異性的參與獎(jiǎng)賞性學(xué)習(xí)記憶（Liu et al.,?Nature,2012）。隨后，多個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究不僅將PAM神經(jīng)元類(lèi)型根據(jù)圖譜特征進(jìn)行了精細(xì)區(qū)分，更發(fā)現(xiàn)多個(gè)亞型在記憶以及它們?cè)谒咧械拇傩压δ?。在果蠅腦內(nèi)，一對(duì)背側(cè)成對(duì)內(nèi)側(cè)（DPM）神經(jīng)元投射到整個(gè)蘑菇體，被鑒定其在記憶鞏固過(guò)程中的不可或缺性，以及其通過(guò)抑制性的作用發(fā)揮促睡的功能（Waddell，Cell，2000；Haynes et al.,?eLife,2015）。然而，DAN-DPM的功能連接及該微環(huán)路的活動(dòng)狀態(tài)在睡眠和記憶鞏固中的作用尚不清楚。
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合免疫組化、特異標(biāo)記的順行示蹤遺傳工具以及離體功能成像技術(shù)，揭示了PAM神經(jīng)元與DPM神經(jīng)元之間存在結(jié)構(gòu)性連接，DPM神經(jīng)元位于PAM神經(jīng)元的下游，且二者之間的突觸連接是抑制性突觸連接的，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在DPM神經(jīng)元中Dop1R1受體主導(dǎo)參與抑制功能 （圖1）。
經(jīng)過(guò)一系列的行為學(xué)檢測(cè)，確定DPM神經(jīng)元在LTM的記憶鞏固過(guò)程中是必需的，并發(fā)現(xiàn)PAM神經(jīng)元如在記憶鞏固關(guān)鍵時(shí)間窗口短暫被激活，也可導(dǎo)致LTM受損。短暫的抑制DPM或者激活PAM均導(dǎo)致眠量減少且碎片化，覺(jué)醒閾值降低。這些結(jié)果表明這兩類(lèi)神經(jīng)元都參與記憶鞏固和睡眠的調(diào)控（圖2）。
研究團(tuán)隊(duì)為進(jìn)一步鑒定參與睡眠和記憶鞏固調(diào)控的PAM多巴胺能神經(jīng)元的特異亞型，通過(guò)行為學(xué)檢測(cè)，結(jié)合解剖學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)PAM-α1神經(jīng)元的短暫增強(qiáng)或減弱，睡眠時(shí)長(zhǎng)減少且碎片化，LTM受損（圖3）。
接下來(lái)，結(jié)合果蠅全腦連接組學(xué)分析、離體功能鈣成像、新型的捕捉定格神經(jīng)元活動(dòng)的工具CRTC，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：PAM-α1神經(jīng)元與DPM神經(jīng)元之間形成抑制性的突觸連接，且PAM-α1-DPM微環(huán)路在記憶形成時(shí)及記憶鞏固關(guān)鍵時(shí)間窗口呈現(xiàn)出協(xié)同的神經(jīng)活動(dòng)變化（圖4）。
為確定這兩種神經(jīng)元是通過(guò)平行且獨(dú)立的環(huán)路還是整合的環(huán)路實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠和長(zhǎng)時(shí)記憶的調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)利用精致的遺傳學(xué)方法，同時(shí)失活兩類(lèi)神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在饑餓狀態(tài)下，睡眠減少及碎片化的程度與單獨(dú)失活其中一類(lèi)神經(jīng)元的程度相同，闡釋了PAM-DPM微環(huán)路共調(diào)控睡眠和記憶的工作模型。最后，為了加固這一微環(huán)路通過(guò)協(xié)同作用導(dǎo)致睡眠干擾與記憶損傷的結(jié)論，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種藥理學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)在喂食促眠的THIP（GABA激動(dòng)劑）后，挽救了因短暫激活 PAM-α1所引起的睡眠紊亂，同時(shí)恢復(fù)了受損的長(zhǎng)時(shí)記憶（圖5）。
在果蠅中，蘑菇體（MB）中高度反饋的神經(jīng)環(huán)路在特異功能定位方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。而在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)揭示并鑒定了一個(gè)由兩種類(lèi)型的蘑菇體投射神經(jīng)元所形成的抑制性微環(huán)路和一種特定的多巴胺能神經(jīng)元亞型，通過(guò)影響睡眠的動(dòng)態(tài)變化來(lái)介導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)記憶的穩(wěn)定，為理解連接記憶鞏固與睡眠的環(huán)路機(jī)制提供了新的見(jiàn)解。
深圳先進(jìn)院劉暢研究員為最后通訊作者，美國(guó)布蘭迪斯大學(xué)Leslie C. Griffith教授以及汕頭大學(xué)李凡教授為共同通訊作者，深圳先進(jìn)院和南方醫(yī)科大學(xué)深圳市婦幼保健院聯(lián)培博士后顏琳為本文第一作者。該研究主要受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等項(xiàng)目資助以及深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
文章上線(xiàn)截圖
圖1. PAM多巴胺能神經(jīng)元與DPM的結(jié)構(gòu)和功能連接
圖2. 記憶鞏固期抑制DPM神經(jīng)元或者短暫激活PAM影響睡眠和記憶
圖3. 鑒定特異的多巴胺能神經(jīng)元亞型PAM-α1
圖4. PAM-α1-DPM抑制性微環(huán)路及其動(dòng)態(tài)協(xié)同變化
圖5. PAM-α1-DPM抑制性微環(huán)路橋接睡眠和記憶
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