🧠斯坦福大学医学院的研究人员在《自然》杂志上发表了一篇令人兴奋的文章，指出皮质杏仁核（COApm）是巩固长期社交传递的食物偏好的关键角色。🐭🍲
该研究来自美国斯坦福大学医学院Thomas C. Südhof（2013 年诺贝尔生理学或医学奖获得者，研究成果解答了细胞如何组织其内部最重要的运输系统之一——囊泡传输系统的奥秘）和Stephen R. Quake（斯坦福大学生物工程与应用物理学教授、HHMI研究员，2011年Lemelson-MIT发明奖获得者）研究团队，其中刘智慧&孙文斐为共同第一作者，刘智慧为共同通讯作者。文章揭示了COApm如何通过整合社交和感觉嗅觉输入来充当计算中心，并且这一长期记忆过程依赖于蛋白质合成，同时提示了参与其中的基因表达时空机制。 🧬 在这项引人入胜的研究中，他们发现阻断COApm的突触信号传递会破坏记忆的巩固，但不会破坏记忆的获取、存储或回忆。 🧬 使用#MERSCOPE平台进行空间解析的转录组学研究发现，STFP记忆在COApm中形成所诱导的强大但独特的基因表达特征与突触重组一致。 🧬 这些发现揭示了COApm在整合社会和感官信息以巩固记忆方面的关键作用，从而将记忆巩固机制与其他记忆过程区分开来。这是继今年2月份研究者在《自然》杂志在线发表关于应用MERSCOPE空间转录组学数据揭示长期记忆形成之谜后，该团队今年发表的第二篇长期记忆巩固之谜的《自然》杂志文章。
文章摘要研究者以食物偏好的社交传递 (STFP) 作为生态相关的长期记忆范例进行研究，其中动物在社会环境中从另一种动物那里学习理想的食物气味，从而形成长期记忆。食物偏好记忆是如何获得、巩固和储存的尚不清楚。文章表明皮质杏仁核的后内侧核 (COApm) 通过整合社交和感官嗅觉输入，在长期STFP记忆巩固中充当计算中心。通过基于COApm的电路阻断突触信号传导可选择性地消除STFP记忆巩固，而不会损害记忆获取、存储或回忆。COApm介导的STFP记忆巩固依赖于来自副嗅球的突触输入和前嗅核的突触输出。STFP记忆巩固需要蛋白质合成，这表明存在一种基因表达机制。深度单细胞和空间分辨转录组学揭示了 COApm中STFP记忆形成诱导的稳健但不同的基因表达特征，这些特征与突触重组一致。因此，研究者的数据定义了一种用于巩固社交沟通长期记忆的神经回路，从而从机制上区分了依赖蛋白质合成的记忆巩固与记忆获取、存储或检索。研究思路课题设计了从长期记忆行为学实验到神经生理学记录，再到细胞和分子层面的基因表达时空分析。首先，通过STFP训练和测试来评估记忆形成；其次，利用电生理技术和生信分析来确定COApm神经元的活动和连接模式；最后，通过单细胞RNA测序和抗误差多重荧光原位杂交（MERFISH）技术来分析COApm中基因表达的变化。系统化的设计与体系方法的综合应用与相互验证，使得研究能够从不同层面系统地解析STFP记忆巩固的神经机制。研究结果1. 训练激活记忆突触连接：研究团队使用了TRAP2小鼠模型，通过他莫昔芬诱导的Cre-ERT2表达来标记STFP训练期间活跃的神经元。成功的STFP训练激活AOB投射到COApm的神经元，与AOB（附属嗅球）形成突触连接，而单独的气味或社会互动则不能。这表明STFP记忆的形成需要COApm神经元的激活。 2. 长期记忆形成：作者通过使用破伤风毒素轻链（TeNT）来阻断COApm神经元的突触信号传递，发现这种阻断在STFP训练前或训练后立即进行都能完全消除长期STFP记忆，但对近期记忆或记忆获取没有影响。此外，选择性地沉默AOB投射到COApm的神经元或眶额叶皮层（OFC）也损害了长期STFP记忆的形成，而沉默非AOB投射的COApm神经元和基底外侧杏仁核、腹侧海马、内侧前额叶皮层神经元，则没有影响。3. 长期记忆巩固：研究团队利用化学遗传学方法，通过hM4Di受体的激活来抑制COApm神经元的活动，结果发现，在STFP训练后的前三周内抑制这些神经元会阻断长期STFP记忆的形成。然而，如果在记忆测试前一周或测试期间进行抑制，则不会影响长期记忆。此外，实验还发现，STFP训练成功后，COApm神经元的内在兴奋性在一周和三周后显著增加。4. 长期记忆的机制及通过MERFISH技术分析基因时空表达模式：AOB 投射的 COApm 神经元通过蛋白质合成介导长期 STFP 记忆巩固。通过MERSCOPE平台开展单细胞空间分辨转录组学技术MERFISH分析，研究团队发现，与气味暴露或在家笼条件下的小鼠相比，STFP训练显著改变了COApm中特定神经元的基因表达模式，特别是那些投射到AOB的神经元。这些变化包括与突触形成相关的基因，如Flrt1，这表明突触重构可能是STFP记忆巩固的核心组成部分。
上图 | 空间分辨转录组学揭示了神经元组成和STFP训练引起的COApm、腹侧海马和OFC中的基因表达变化。a、实验策略。为了分析COApm和腹侧海马，在STFP训练前两周向AOB注射AAV2retro-hSyn-tdTomato标记AOB投射神经元，而使用未注射的野生型(WT)小鼠（每组n=4只小鼠）对OFC进行分析。b、通过MERFISH量化COApm和腹侧海马中的AOB投射 (tdT+) 神经元密度（每组4只小鼠；平均值±s.e.m.）。c–e，包含COApm和腹侧海马 (c,d) 或OFC (e)的脑切片中神经元标记和细胞类型识别的空间表示（c,e，左，MERFISH荧光图像（深色背景）；右，神经元类型（白色背景）；d，顶部，放大的COApm图像（来自 c）；底部COApm中tdT+神经元的空间定位）。比例尺，1 毫米 (c)；0.2 毫米 (d)；0.5 毫米(e)。f、g、以均匀流形近似和投影 (UMAP) 格式对所有神经元 (n = 978,574; f) 或单独的COApm、腹侧海马和OFC神经元 (g) 进行无偏聚类，右侧显示细胞簇百分比。h,i，火山图显示STFP训练组中AOB投射 (tdT+) 与AOB非投射 (tdT-) COApm神经元的比较 (h) 或STFP训练与气味组 (i) 中AOB投射COApm神经元的比较中的DEG（错误发现率 (FDR) < 1 × 10-10 按Benjamini-Hochberg方法计算；倍数变化 (FC) > ±0.5）。j， 在COApm（左）和腹侧海马（右）中的兴奋性AOB投射 (tdT+) 神经元中检测到的富集基因的示意图（左）和热图（右）。与突触形成相关的基因以粗体表示。 5.进一步验证长期记忆的基因表达变化：通过深度scRNA-seq进一步验STFP训练在COApm神经元中引起的基因表达变化，识别了COApm中的独特神经元亚群，并进一步对神经元在STFP训练后的基因表达变化进行了详细分析。STFP训练诱导了与突触形成和功能相关的基因表达变化，这些变化是COApm特有的，与其他参与STFP记忆形成的脑区如腹侧海马和前额叶皮层不同。 6. 长期记忆巩固后的运算处理与存储：研究者运用逆行假型狂犬病毒和SynaptoTag工具映射了COApm的突触输入和输出连接。发现COApm神经元与嗅觉皮层、腹侧海马和各种杏仁核区域形成相互连接。梨状皮质成为COApm输入的主要来源，支持COApm整合情境嗅觉感官和社交线索的观点。结合回路、转录组学数据和化学遗传学结果，验证了 COApm-AONm投射传达STFP记忆巩固的结论。而针对AOB的类似实验不会降低记忆巩固。文章小结
该研究表明STFP记忆在一个确定的皮质核COApm中迅速巩固，其在STFP记忆形成中的选择性作用似乎是介导合成社交和嗅觉输入的蛋白质合成依赖性计算。作者提出社交输入直接从AOB传输到COApm，而嗅觉输入则通过梨状皮质和腹侧海马从 MOB 间接传输。该研究表明，大约一半的COApm神经元与AOB和AON形成突触连接，这些突触连接对于记忆巩固具有选择性必需性，但对于短期记忆获取或长期记忆存储和回忆则不是。相比之下，AOB仅在STFP训练期间是必需的，而AON在STFP中具有多种作用。如深度scRNA-seq和空间分辨转录组学MERFISH分析，COApm神经元在长期STFP记忆巩固中的选择性功能与其他测试的大脑区域不同，并且涉及基因表达的重大变化。与腹侧海马和OFC相比，这些基因表达变化是COApm所独有的，后两者都有助于STFP记忆形成。COApm 可能在小鼠中执行进一步的行为功能，鉴于其密集的直接AOB和间接MOB输入，这些功能也可能涉及社交和嗅觉信息的整合，例如在交配期间发生的信息。因此，作者提出COApm充当计算记忆巩固中心。这表明长期记忆形成可以分解为几个蛋白质合成依赖性阶段，这些阶段位于不同的神经回路中，至少在COApm回路的情况下，这可能涉及突触的重组。
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