Science：抹去记忆！用光
2021-12-24 brainnew神内神外 网络
当老鼠进入房间时，它们受到电击后在房间内变得焦虑。然而，接受光照实验的老鼠后来忘记了电击，在房间内再次进入放松状态。
撰稿 | Bittersweet（电子科技大学，博士生）
如果你拿到一份重要的文件，你会选择将其放在哪里？是放在办公桌上，还是收在抽屉里，甚至是藏到保险柜？
图1：用光抹去记忆艺术效果图
实际上，将“文件”归类保存，我们的大脑就非常擅长。大脑常常把各类记忆归档并妥善保管——记忆首先出现在大脑中的海马体（hippocampus）[1]，然后会转移到大脑皮层（cerebral cortex）[2]等区域进行长期存储，这一过程被称为记忆巩固（memory consolidation）[3]。记忆可以在睡眠期间通过长时程增强作用（long-term potentiation，LTP）[4]的神经活动得到巩固。长时程增强作用是突触可塑性（synaptic plasticity）[5]的几种现象之一。由于记忆被认为是由突触强度的改变来编码的，长时程增强作用被普遍视为构成学习与记忆基础的主要分子机制之一。
名 词 解 释 （ [1] - [5] ）
[1] 海马体
海马体（hippocampus），又名海马回、海马区、大脑海马，海马体位于大脑丘脑和内侧颞叶之间，属于边缘系统的一部分，主要负责短时记忆的存储转换和定向等功能。
[2] 大脑皮层
大脑皮层（cerebral cortex）是调节躯体运动或者说控制躯体运动的最高级中枢。它由初级感觉区、初级运动区和联合区三部分构成。人类大脑皮层的神经细胞约有140亿个，面积约2200平方厘米，主要含有锥体形细胞、梭形细胞和星形细胞（颗粒细胞）及神经纤维。
[3] 记忆巩固
记忆巩固（memory consolidation）是记忆过程的一个分类，指的是在首次获取记忆后将记忆痕迹稳固下来的过程。记忆巩固分为两大部分，系统巩固（即长时程增强后期，出现在首次记忆的几小时内）和突触巩固（出现在几周到几年之内不等）
[4] 长时程增强作用
长时程增强作用，又称长期增益效应（long-term potentiation，LTP）是发生在两个神经元信号传输中的一种持久的增强现象，能够同步的刺激两个神经元。
[5] 突触可塑性
在神经科学中，突触可塑性（synaptic plasticity）是指神经细胞间的连接，即突触，其连接强度可调节的特性。突触的形态和功能可发生较为持久的改变的特性或现象。突触会随着自身活动的加强与减弱相应得到加强与减弱。在人工神经网络中，突触可塑性是指利用神经科学中突触可塑性有关理论结合数学模型来构造神经元之间的联系。
来源：百度百科、维基百科
此前有研究表明，药物可以破坏长时程增强作用，但是这种方法难以控制，并且无法在记忆巩固的特定时间点来对特定的大脑区域进行阻断。
日本京都大学的Akihiro Goto等人通过一种新的光遗传技术成功消除了小鼠的记忆，并证明了在记忆巩固的早期阶段，长时程增强的精确定位对记忆的形成是至关重要的。换句话说，可以通过定向光照来消除记忆。
该成果以“Stepwise synaptic plasticity events drive the early phase of memory consolidation”为题发表于 Science。
这个技术有点类似电影《黑衣人》中的“记忆消除棒”。
在研究中，研究人员将目光聚焦到一种对突触功能至关重要的蛋白质——丝切蛋白（cofilin），并试图用神经光学技术来操控它在小鼠大脑中的表达。
实验开始阶段，将腺相关病毒（adeno-associated virus，AAV）注射到小鼠大脑，进而表达由丝切蛋白和感光抑制蛋白（SuperNova, SN）的融合蛋白。当暴露在光照下时，感光抑制蛋白便会释放活性氧，使附近的丝切蛋白失活。
图2：神经光学系统操纵记忆示意图
图源：日本京都大学
抑制性回避（inhibitory-avoidance，IA）（名词解释>）学习范式被用来评估记忆。实验中，研究人员先将老鼠放在一个分隔室的明亮一侧，它们通常在门打开30秒内越过黑暗面，在那里它们受到了电击。
图3：抑制回避测试的实验方案
图源：Science
研究人员使用头戴式微型荧光显微镜对小鼠海马兴奋性神经元中的Ca2+进行了成像。
第1天，小鼠在没有电击的情况下暴露于抑制性回避室，记录神经元活动。
在第2天，小鼠再次暴露于同一个房间，并在进入黑暗面后电击。在第1组小鼠中，电击后2分钟通过透镜照射光诱导发色团辅助光失活（chromophoreassisted light inactivation，CALI）（名词解释>），以擦除在线长时程增强（在线CALI组）。
为了限制对局部电路的影响，又在观察侧单方面诱导了CALI。在第2组中，每20分钟光照一次——从抑制性回避测试后2小时开始，总共8小时——以消除离线长时程增强（离线CALI组），而对照组受到电击但没有接受光照（电击noCALI组）。
在第3天，所有三组都再次暴露于IA测试室并记录神经元活动。
补充说明：电击事件期间或之后立即发生的长时程增强称为在线长时程增强，电击事件发生后的睡眠期间的长时程增强称为离线长时程增强
图4：Ca2+成像的实验方案图
图源：Science
研究结果表明：当老鼠进入房间时，它们受到电击后在房间内变得焦虑。然而，接受光照实验的老鼠后来忘记了电击，在房间内再次进入放松状态。
这项新的光遗传技术令人惊叹，通过有针对性的光照消除局部长时程增强，证实可以消除了记忆。这项新技术提供了一种在细胞层面上，在时间和空间上隔离记忆形成的方法。有望带来一系列精神障碍的治疗方法，如阿尔兹海默病、精神分裂症等。
论文信息：
Goto et al., Science 374, 857–863 (2021)
https://doi.org/10.1126/science.abj9195
监制 | 赵阳
编辑 | 赵唯
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