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学会之后记不牢,隔区—海马回路藏着线索

Molecular neurodegeneration · 2023-04-14

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Molecular neurodegeneration · 研究前沿

学会之后记不牢,隔区—海马回路藏着线索

小鼠研究发现,tau积累使特定胆碱能细胞及隔区—海马theta协调受损;在较早记忆巩固阶段增强相关输入,可改善后续空间记忆表现。

原论文Figure 5E单一荧光视野局部:内侧隔区胆碱能细胞投向海马的绿色纤维与蓝色组织标记

训练时逐渐找到出口,过后却记不牢位置:问题可能出在学会之后。2023年4月14日发表于 Molecular Neurodegeneration 的研究,在小鼠内侧隔区积累人源tau蛋白,观察到空间记忆受损,而训练阶段的学习表现仍相近。进一步追踪把线索指向一组连接海马CA1的胆碱能细胞,以及学习后脑区之间的节律协调。研究发现,给这条线路的帮助,不仅要落在合适阶段,还与活动的节奏有关。

关键发现

tau积累更明显地影响连接CA1、呈不对称放电特征的胆碱能细胞,并降低隔区—CA1的theta相干性。较早巩固阶段增强胆碱能输入改善记忆表现,局部乙酰胆碱受体阻断使这一改善消失。

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变化逐渐出现,学习与记忆并不同步

内侧隔区位于基底前脑,是海马胆碱能输入的重要来源。tau异常积累与胆碱能系统改变都见于阿尔茨海默病,研究因此把两条线索放到同一脑区考察,观察长期积累人源tau以后,相关细胞和行为怎样变化。

较广范围表达tau后,三个月时的ChAT阳性细胞数、海马胆碱能纤维及空间任务表现未见显著改变;六个月时,相关细胞标记数量和纤维强度下降。小鼠训练时仍能逐渐找到目标,后续测试却花费更久,正确探查和目标区域停留也更少,移动距离没有显著差别。

原论文图 1变化逐渐出现,学习与记忆并不同步
变化逐渐出现,学习与记忆并不同步
图1比较三个月和六个月的组织及空间行为变化,六个月时记忆测试受损,训练表现和移动距离未见显著组间差别。
来源:Wu D et al. · Molecular neurodegeneration · CC BY
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将焦点缩到胆碱能细胞

当tau积累主要集中在ChAT相关胆碱能群体,三个月时就能看到相关细胞标记数减少,以及投向CA1的胆碱能纤维减弱。这比区域性表达的对应时间点更早呈现出变化,提示细胞身份会影响观察到的脆弱性。

这一群体中的tau积累同样未显著改变训练期的寻找目标表现,却使一天后和一周后的空间记忆测试变差。短期内学得进去,与随后能否把位置留下来,在这些小鼠身上出现了分离。

原论文图 2将焦点缩到胆碱能细胞
将焦点缩到胆碱能细胞
图2显示胆碱能群体tau积累后的ChAT标记、CA1纤维及后续记忆变化,训练期指标未见显著组间差别。
来源:Wu D et al. · Molecular neurodegeneration · CC BY
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同是胆碱能细胞,电活动也有不同面貌

记录中的胆碱能细胞可以按放电特征分成对称与不对称两类,其中不对称类型占比较高。tau积累后,不对称类型对输入的放电响应减弱,而对称类型的兴奋性未见显著改变。一个常被整体讨论的细胞群,也有不同的敏感程度。

这种差别主要体现在响应输入时发出多少脉冲。动作电位幅度、半宽、膜电容和静息电位并未显著变化,说明电活动受影响可以集中在部分特征上,并非所有细胞参数同时恶化。

原论文图 3同是胆碱能细胞,电活动也有不同面貌
同是胆碱能细胞,电活动也有不同面貌
图3比较两类放电特征:不对称类型兴奋性降低,其他多项膜性质及对称类型兴奋性未见显著改变。
来源:Wu D et al. · Molecular neurodegeneration · CC BY
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通向CA1的一支,显得更脆弱

隔区并非只与海马一个区域相连。追踪连接后,研究发现,tau对不对称放电细胞的影响主要出现在通向CA1的群体;通向CA3的对应群体未见显著兴奋性改变。对称放电细胞在两条受测连接中也没有同样变化。

分子标记、放电特征与连接目的地三条信息叠在一起,才显出这条易受影响的支路。它让记忆改变的定位从一个脑区,进一步落到带有特定活动特征的连接群体。

原论文图 5通向CA1的一支,显得更脆弱
通向CA1的一支,显得更脆弱
图5展示隔区与海马的连接及投射相关细胞记录,CA1连接群体中的不对称放电细胞更易受影响。
来源:Wu D et al. · Molecular neurodegeneration · CC BY
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节律还在,两个脑区的配合却变弱了

两个脑区能各自保持活动,也可能彼此失去配合。同步场电位记录发现,tau组内侧隔区的部分theta频段功率降低,CA1对应频段功率却没有显著组间差别;两区之间的theta相干性则在任务前、任务中及任务后都降低。

相干性描述的是两处活动在特定节奏上如何关联,并不是乙酰胆碱释放量。CA1仍有局部节律,却与隔区的时间关系变弱,使研究把注意力转向学习之后的巩固过程:记忆留下来,也可能需要合拍的交流。

原论文图 6节律还在,两个脑区的配合却变弱了
节律还在,两个脑区的配合却变弱了
图6显示隔区部分theta功率及隔区—CA1的theta相干性降低,CA1受测频段功率未见显著组间改变。
来源:Wu D et al. · Molecular neurodegeneration · CC BY
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帮助记忆,要赶上合适的阶段与节奏

最初在记忆提取阶段受测的激活条件没有改善表现。把干预移到新学习结束后,采用theta节律的条件,后续目标寻找、正确探查与目标区域停留得到改善;另两种更快节律没有显著改善。把同一theta条件延迟到学习三小时后,收益也不再显著。

这些对照把效果与较早的巩固阶段联系起来。研究比较的是具体受测时点和节律,描绘出干预效果对时间的敏感性,而不是给所有任务划定一个统一的记忆时钟。

原论文图 4帮助记忆,要赶上合适的阶段与节奏
帮助记忆,要赶上合适的阶段与节奏
图4比较阶段、节律与延迟条件:学习后较早的theta条件改善记忆,另两种节律和三小时延迟条件未见显著改善。
来源:Wu D et al. · Molecular neurodegeneration · CC BY
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把回路的帮助,落到海马输入上

进一步增强CA1内来自隔区胆碱能细胞的输入,也能在较早巩固阶段改善后续空间记忆;局部阻断受测乙酰胆碱受体后,改善消失,移动距离仍无显著差别。这让胆碱能信号成为回路效应中有实验支持的一环。

小鼠局部人源tau积累并不包含人类疾病的全部过程,标记减少也没有回答每个细胞最终的命运。这项研究带来的认识是,记忆脆弱性可以细分到细胞的活动特征、连接方向和学习后的阶段;帮助受影响的网络,可能需要同时考虑这三个层次。

原论文图 7把回路的帮助,落到海马输入上
把回路的帮助,落到海马输入上
图7显示增强CA1胆碱能输入后的记忆改善,以及局部乙酰胆碱受体阻断对该改善的影响。
来源:Wu D et al. · Molecular neurodegeneration · CC BY
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论文信息

Wu D, Yu N, Gao Y, Xiong R, Liu L, Lei H, Jin S, Liu J, Liu Y, Xie J, Liu E, Zhou Q, Liu Y, Li S, Wei L, Lv J, Yu H, Zeng W, Zhou Q, Xu F, Luo MH, Zhang Y, Yang Y, Wang JZ.
Targeting a vulnerable septum-hippocampus cholinergic circuit in a critical time window ameliorates tau-impaired memory consolidation
Molecular neurodegeneration · 2023-04-14
DOI: 10.1186/s13024-023-00614-7