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【脑科学】上海科学家揭示:成年大脑是如何存储恐惧记忆的?
罗纳尔多 2016-09-06
导语

中科院神经所首次揭示了在听觉恐惧记忆中起重要作用的侧杏仁核-听觉皮层投射通路,并发现该通路在听觉恐惧学习后会发生特异性的突触连接重构。新突触连接主要通过在已有的突触上添加新的突触结构的方式形成,提示了成年大脑皮层中新突触形成的基本规律。

一声巨响、凄厉的尖叫……被吓得呆若木鸡,一动不动的体验,你有吗?再次听到类似声音,即使时隔多年,恐惧也会被重新勾起。大脑如何存储恐惧记忆的?

《自然-神经科学》杂志发表了中科院上海生科院神经科学研究所科学家的最新研究发现,他们不仅发现了大脑存储恐惧记忆的重要神经通路,还顺藤摸瓜,找到了成年大脑存储记忆的基本规律———非常经济节能。 

动物对于恐惧的记忆,一部分是先天的,比如老鼠闻到猫的气味就会害怕,另一部分则是习得的,与巴甫洛夫著名的条件反射实验差不多,当一种声音与恐惧联系在一起,只要再次听到这种声音,动物就会重新陷入惊恐之中。 

很多恐惧记忆的形成,与大脑中附着在海马末端的杏仁核息息相关。这是一个产生、识别和调节情绪,并控制学习和记忆的脑部组织。原先,科学家认为,在小鼠中,听觉恐惧的信息会从大脑的听觉感觉区流向杏仁核的侧杏仁核,再通往下游直接控制运动的区域,由此产生恐惧反应,而从杏仁核回到感觉皮层的投射,只有在猕猴等灵长类动物中存在。

可中科院上海生科院神经所蒲慕明课题组的副研究员杨扬在浏览小鼠大脑联接图谱的时候,突然发现,小鼠听皮层也有来自侧杏仁核的投射,于是她就和刘丹倩博士一起“追踪”了下去。 这一追,收获巨大。杨扬和刘丹倩研究发现,从侧杏仁核投射回大脑初级听觉皮层的这个神经回路一旦被抑制,小鼠就不那么害怕原先非常恐惧的声音。

“假如我们可以在人脑中找到对应的通路,那么我们就可能通过调节这个通路,减轻焦虑症和创伤后应激障碍等疾病。”蒲慕明说,这一基础研究的发现,将为未来脑疾病的治疗提供新的线索,“目前药物治疗脑疾病效果并不理想,而生理、物理刺激和干预,可能取得更好的效果。” 

不过,更有意义的是,这两位年轻的女科学家发现了成年大脑存储恐惧记忆的模式———这是科学家从来没发现过的。 大脑与电脑不同,它没有一个像集中存储数据的硬盘,而是存储在以突触为基本单元的神经网络中。突触是神经元之间的连接点,大脑中有数以千亿计的神经元,每个神经元都与上千个同伴相连接,它们之间传递信号,就是通过突触完成的。而突触会不断变化,形态、数目,以及连接方式,都会随着学习和记忆改变。通过荧光标记,杨扬和刘丹倩发现,侧杏仁核-听皮层的突触在经过恐惧训练后,明显增多了。

图A:局部注射EGFP顺向标记LA的神经元,在同侧ACx能检测到荧光标记的轴突信号。图B:在LA注射表达hM4D的病毒。在恐惧记忆测试时,在ACx局部注射hM4D的配体CNO以阻断LA-ACx通路的突触传递。图C:在LA注射表达eArch3.0的病毒。在恐惧记忆测试时,在ACx照射绿光以抑制投射到ACx的LA轴突。图D:左:训练后3天,投射到ACx表层的LA轴突小结的形成比例和消失比例。右:ACx L5神经元顶树突上树突棘的形成和消失比例。每个圆圈代表一只小鼠。图E:左:双色双光子在体成像观察LA的轴突(绿)和L5神经元顶树突(红)。白色箭头,三角形和菱形分别指示稳定的,新形成的和消失的突触。右:对照组和实验组中,LA-ACx突触在训练后新形成及消失的比例。图F:左:新的树突棘与已有的轴突小结形成新的突触。右:新的轴突小结与已有的树突棘形成新的突触。

“成年大脑中的神经元数量不会变化,可突触却可变大、变小、形成或消失。”杨扬说,“通过观察,我们发现,98%以上的新形成的突触都遵循‘部分新增’的规律。”也就是说,这些新突触往往由旧有突触“改造”而来,这种形成新突触的方法,不仅可以节省空间、细胞能量,还可节省“建材”———结构蛋白的数量。“我们在所有与学习有关或无关的突触变化中,都看到了这个现象,所以这可能是成年动物大脑中突触形成的普遍规律。”杨扬说。 

《自然-神经科学》的主编凯文·斯尔瓦称赞“这是一项极具价值的研究”。蒲慕明透露,通过脑科学卓越中心的合作机制,已有北京的人工智能科学家基于这一发现,开始研发新的人工智能存储网络。

文章链接:

Yang Yang, et al, "Selective synaptic remodeling of amygdalocortical connections associated with fear memory," Nature Neuroscience (2016), doi:10.1038/nn.4370

蒲慕明研究员简介:

中科院上海生科院神经所高级研究员,博导,Email:mpoo@ion.ac.cn

个人主页:点击此处进入

研究方向:神经环路的可塑性;长期记忆的突触储存机制;高等认知功能的环路基础。

(本文信息来源:中科院上海生科院神经所;由e科网整理编辑)

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  • 恐惧记忆
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作者 罗纳尔多

学生

北京理工大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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