认出新物体的那一刻,下托如何唤起熟悉的记忆?
细胞外基质蛋白FN1牵动下托细胞的放电与BK通道,让一条通向内嗅皮层的输出参与新旧物体辨别。
桌上的两个物体昨天都见过,今天其中一个换了模样。小鼠更愿意靠近新的那个,意味着昨日经验与眼前信息发生了比较。这个看似简单的选择,既需要提取记忆,也需要把相关信息送出海马系统。发表于Advanced Science的一项成年雄鼠研究沿着下托这座输出枢纽寻找答案,最后追到一种细胞外基质蛋白:纤连蛋白1(FN1)。它与细胞内的钾通道、神经元放电以及特定输出路线相连,共同影响了识别发生的那一刻。
提取期增强下托—内嗅输出提高新物体辨别,抑制则降低;FN1敲低使新旧信号差异消失并增加BK表达,激活这条输出或局部阻断BK可改善辨别缺陷。
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这群细胞,读出记忆时格外重要
第一次接触两个相同物体时,下托锥体细胞的群体钙信号都会升高,幅度相近。一天后,其中一个物体被替换,探索新物体时的信号明显更强。同一群细胞从对两个物体近似响应,转向对新物体更强响应,变化出现在小鼠已有先前经验的测试中。
这种活动差异是否影响行为,取决于干预的时刻。学习前激活或抑制这群细胞,次日辨别没有显著变化;学习六小时后干预也一样。到了提取测试,激活提高辨别指数,抑制则降低。物体位置识别中的抑制效应仅呈不显著趋势。对这组任务而言,下托活动的突出贡献落在新旧物体比较的时刻。
来源:Fei F et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
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下托的不同出口,带来不同结果
下托把信息送往多个脑区,但这些出口并不具有相同功能。内嗅皮层中的下托末梢,在探索新物体时钙信号更强;丘脑前核与乳头体末梢没有同样的新旧差异。提取期增强内嗅支路提高辨别,抑制则降低,而学习及所测巩固时间点的操作没有显著作用。
另一条支路甚至带来相反结果:激活投向丘脑前核的末梢,会降低新物体辨别,抑制却没有造成相同缺陷。乳头体支路的激活和抑制,以及压后皮层支路的相关抑制,也未显著改变表现。物体位置任务中的通路操作同样没有显著效应。提高下托输出并不是越广泛越好,信息去向影响着行为结果。
来源:Fei F et al. · Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) · CC BY
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一枚细胞外蛋白标记,参与了辨别
寻找两类输出细胞的分子差异时,FN1进入视野。它主要见于内嗅投射相关的下托锥体细胞,丘脑前核投射细胞中很少出现。提取后,FN1与活动标记c-Fos增加;学习及所测巩固条件没有同样变化。这个通常与细胞外基质相联系的蛋白,恰好出现在具有提取期功能的细胞群中。
降低下托FN1后,小鼠的新物体辨别下降,物体位置辨别、Y迷宫、水迷宫、条件恐惧及情绪相关测试却未见相应显著缺陷。抑制神经活动或c-Fos/AP-1相关活动也降低FN1。这些结果把FN1从一个识别细胞的标记,带到了参与任务表现的分子层面,并显示它的水平会随神经活动变化。
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让输出更活跃,找回新旧差异
FN1下降后,学习时对两个相同物体的钙响应仍然相近,但提取时原有的新旧物体信号差异消失了。损害并非表现为所有物体响应都消失,而是群体活动失去了原先的区别。分子变化与提取时的活动变化,在同一个行为缺陷中相遇。
研究于是直接增强下托—内嗅输出。只在提取期激活这条路线,便能改善FN1敲低后的辨别;学习或巩固期激活没有同样补偿,激活丘脑支路也没有。输出路线与作用时刻两项条件同时吻合,才出现行为改善。这让FN1相关缺陷具体落到了能够通过增强活动补偿的提取回路上。
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钾通道的“刹车”为何变强?
切片记录揭示,FN1敲低后的细胞在较大电流输入下产生更少动作电位,动作电位幅度降低,快速后超极化增强,爆发放电细胞比例也下降。不过,基强度与慢速后超极化没有显著变化,低电流下的放电增加趋势也不显著。细胞变化主要体现在较强输入时能怎样放电,而不是所有状态都统一变得安静。
BK钾通道成为下一条线索。这类通道参与动作电位后的膜电位回落,像放电过程中的一部分制动。FN1敲低后,BK主功能亚基蛋白与KCNMA1转录增加,KCNMB4未显著改变。局部给予BK阻断剂paxilline,可改善新物体辨别。增强的通道表达、改变的放电与药理挽救,共同支持BK参与这一缺陷。
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海马信息怎样进入这条路线?
追踪显示,内嗅投射相关的下托细胞接收较强CA1与局部回路输入,而丘脑投射细胞与前下托输入联系更多。抑制CA1后,下托提取时的新旧物体钙差异消失。这些活动结果与解剖差异相呼应:下托不是把同一份海马信息平均发给所有出口,上游组织也与输出细胞的分工相联系。
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记忆提取,也受到细胞外环境影响
在成年雄鼠的这项识别任务中,FN1、BK相关兴奋性和下托—内嗅输出一起影响了记忆被调用时的行为。细胞外基质因此不只是神经元周围的支架,它也与细胞能否在关键时刻形成足够的输出相联系。从昨日见过的物体到今天作出的选择,记忆提取还需要细胞环境、放电状态与信息路线彼此配合。