記憶的存儲(chǔ)機(jī)制一直是眾多科學(xué)家關(guān)心的重大科學(xué)問題。2002年,，諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Eric Kandel教授提出了記憶存儲(chǔ)在神經(jīng)突觸上的假說¹,。次年，另一位諾貝爾獎(jiǎng)得主Susumu Tonagawa教授提出了記憶痕跡細(xì)胞（Memory Engram Cell）的概念²,，認(rèn)為記憶可能是存儲(chǔ)在一群特定的細(xì)胞中,。同年，因發(fā)現(xiàn)綠色熒光蛋白（GFP）而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的著名華裔科學(xué)家錢永健教授提出了記憶可能存儲(chǔ)在細(xì)胞外基質(zhì)中³,。該假說一經(jīng)提出,，引起了諸多研究者對(duì)這一領(lǐng)域的興趣。

細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular mtraix, ECM）是分布于動(dòng)物體組織細(xì)胞間的填充成分,，主要作用是支持和保護(hù)組織細(xì)胞,。前人研究表明一類特殊的細(xì)胞外基質(zhì)Perineuronal Nets (PNNs)在視覺的長時(shí)程記憶中的提取以及恐懼記憶的消退中起到了重要作用^4-5。PNNs 廣泛分布在嚙齒類動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的很多腦區(qū),，例如視皮層,、體表感覺皮層的桶狀皮層 、小腦深部核團(tuán),、黑質(zhì),、海馬及脊髓等部位。CNS的PNNs大部分分布于特定的神經(jīng)元細(xì)胞亞群周圍,，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特異包裹PV-GABA中間神經(jīng)元的胞體并一直延伸至近端樹突的突觸位置,，并通過形成物理屏障來影響神經(jīng)細(xì)胞的突觸可塑性及其他功能。

2019年12月16日,，清華大學(xué)生命學(xué)院史微博士和復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院王云教授在《PNAS》上在線發(fā)表了題為“Perineuronal nets protect long-term memory by limiting activity-dependent inhibition from parvalbumin interneurons”的文章,。該研究從細(xì)胞到系統(tǒng)水平上證明了細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)控海馬的短時(shí)程空間記憶以及皮層的長時(shí)程空間記憶的提取和再鞏固過程，揭示了細(xì)胞外基質(zhì)通過反饋抑制海馬PV中間神經(jīng)元的抑制性輸出而調(diào)控記憶存儲(chǔ)的機(jī)制,。

記憶可以分為短時(shí)程記憶（recent memory）和超長時(shí)程記憶（remote memory）,。短時(shí)程空間記憶一般認(rèn)為是存儲(chǔ)在海馬中。海馬是一個(gè)神經(jīng)纖維排列清晰的腦區(qū)結(jié)構(gòu),，是研究突觸可塑性,、空間學(xué)習(xí)記憶以及短時(shí)程記憶的重要腦區(qū)；而大量的研究表明超長時(shí)程記憶的存儲(chǔ)與編碼主要在皮層中,。在動(dòng)物模型中,，藥理學(xué)抑制或者毀損前扣帶回皮層（anterior cingulate cortex, ACC）均可以損傷長時(shí)程空間記憶的提取。因此,，此論文的研究人員通過在特定腦區(qū)注射的方式特異性降解海馬區(qū)和皮層區(qū)的PNNs,，分別在細(xì)胞水平和整體水平研究了PNNs對(duì)突觸可塑性的調(diào)節(jié)以及對(duì)短時(shí)程和長時(shí)程空間記憶的保護(hù)作用。

1. 細(xì)胞外基質(zhì)的內(nèi)源表達(dá)受到記憶的不同階段調(diào)控

圖1. 記憶不同階段PNNs在海馬與ACC的表達(dá)變化

2.改變海馬細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)影響了海馬依賴的短時(shí)程空間記憶

為了進(jìn)一步證明PNNs對(duì)記憶的存儲(chǔ)和提取具有調(diào)控作用,，研究人員用ChABC酶特異地破壞了海馬區(qū)的PNNs結(jié)構(gòu)后,，發(fā)現(xiàn)損傷了空間條件恐懼記憶（Contextual Fear Conditioning, CFC）的24小時(shí)記憶提取過程（圖2 A）。反之,，研究人員通過使用AAV病毒工具在海馬特異地過表達(dá)PV-GABA神經(jīng)元周圍的PNNs （通過向PV-cre小鼠海馬注射PNN的核心蛋白來實(shí)現(xiàn)）,，有趣的是，該處理方式并沒有增強(qiáng)24小時(shí)的空間條件恐懼記憶提取過程,，不過增加了該記憶的維持時(shí)間（memory decay）（圖2 B）,，說明過表達(dá)PNNs保護(hù)了海馬介導(dǎo)的短時(shí)程空間條件恐懼記憶。

圖2. 細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)改變調(diào)控了記憶的提取與鞏固過程

3. 改變皮層中細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)調(diào)控了長時(shí)程空間記憶的提取和再鞏固

在皮層研究人員用同樣的處理方式在不同時(shí)間點(diǎn)調(diào)控了ACC的的PNNs表達(dá),，并檢測(cè)了條件恐懼記憶形成30天后的長時(shí)程記憶。其研究發(fā)現(xiàn),，訓(xùn)練后一周對(duì)皮層給予ChABC破化PNNs可顯著損傷30天時(shí)的記憶提取,，而訓(xùn)練后三周再破化PNNs就不會(huì)影響30天時(shí)的記憶提取(圖2 C)。該結(jié)果進(jìn)一步證明PNNs在長時(shí)程記憶的存儲(chǔ)階段起到了關(guān)鍵的作用——一旦記憶存儲(chǔ)階段完成,，再消化掉PNNs對(duì)記憶的提取并沒有影響,。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，訓(xùn)練后三周給藥影響了長時(shí)程記憶的再鞏固過程（圖3）,，這也是首次發(fā)現(xiàn)PNNs在長時(shí)空間記憶再鞏固的作用,。

圖3. 改變細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)影響了記憶的再鞏固過程

4.細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)控學(xué)習(xí)記憶的細(xì)胞學(xué)機(jī)制是通過限制PV-GABA神經(jīng)元對(duì)錐體細(xì)胞的反饋抑制實(shí)現(xiàn)的

進(jìn)一步，研究人員運(yùn)用腦片電生理場(chǎng)電位LTP記錄和膜片鉗記錄,，研究了PNNs對(duì)突觸可塑性和細(xì)胞興奮性的影響,。首先，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示ChABC處理過的小鼠海馬CA3-CA1的LTP通路存在缺陷,，該缺陷可以被GABA_A受體的阻斷劑picrotoxin所挽救,，說明ChABC處理影響突觸可塑性是通過調(diào)控GABA抑制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的（圖4 A）。進(jìn)一步的,，研究人員運(yùn)用腦片膜片鉗技術(shù)記錄了chABC處理后的海馬錐體細(xì)胞上的微小自發(fā)放電（miniature IPSC）,，發(fā)現(xiàn)ChABC處理后mIPSC的頻率顯著增加（圖4 C）,，從而說明了chABC處理破壞PV-PNNs 后造成錐體細(xì)胞突觸前的GABA釋放增加。從而,，細(xì)胞電生理功能學(xué)的研究闡明了海馬中PV神經(jīng)元的PNNs在細(xì)胞水平上限制了PV-GABA神經(jīng)元對(duì)錐體神經(jīng)元的反饋抑制,。

圖4. 細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)海馬突觸可塑性的調(diào)控

5.光抑制PV-GABA神經(jīng)元可以挽救ChABC處理引起的theta wave和行為表型缺陷

為了在系統(tǒng)水平上證明細(xì)胞上的機(jī)理，研究人員用光遺傳技術(shù)在ChABC處理（破壞了細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)）小鼠中光抑制PV-GABA的活性,，15分鐘的光抑制就可以挽救ChABC小鼠引起的theta震蕩和行為缺陷（圖5和圖6）,。該研究結(jié)果進(jìn)一步表明ChABC處理的小鼠引起的行為缺陷是通過增加PV-GABA的反饋抑制造成的，而PNNs對(duì)記憶的保護(hù)作用是通過限制這種反饋抑制來實(shí)現(xiàn)的,。

圖5. 在ChABC或者過表達(dá)PNNs小鼠中光遺傳操控PV-GABA神經(jīng)元對(duì)theta震蕩的影響

清華大學(xué)的史微博士為該研究的第一作者及共同通訊作者,，清華大學(xué)的位向博同學(xué)為該研究的共同第一作者,，復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院的王云教授為本文的通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金,、中國國家博士后基金和張江實(shí)驗(yàn)室（ZJLab）的資助,，以及清華大學(xué)鐘毅課題組的支持。

1. E.R. Kandel,  The molecular biology of memory: cAMP, PKA, CRE, CREB-1, CREB-2, and CPEB. Mol Brain 5:14 (2012).

2. Tomás J. Ryan et al., Engram cells retain memory under retrograde amnesia.Science 348: 6238 (2015)

3. R. Tsien,  Very long-term memories may be stored in the pattern of holes in the net. Proc Natl Acad Sci U S A 110(30):12456-12461 (2013).

4. N. Gogolla, P. Caroni, A. Luthi, C. Herry,  Perineuronal nets protect fear memories from erasure. Science 325(5945):1258-1261 (2009).

5. E.H. Thompson, et al.,  Removal of perineuronal nets disrupts recall of a remote fear memory. Proc Natl Acad Sci U S A 115(3):607-612 (2018).

撰文：史微

責(zé)編：鯊魚

排版：葫蘆娃