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eLife｜解析多巴胺微環(huán)路共調(diào)控睡眠和記憶鞏固過程
3月12日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院（簡稱“深圳先進院”）腦認知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院劉暢團隊在eLife雜志上發(fā)表題為：Brief disruption of activity in a subset of dopaminergic neurons during consolidation impairs long-term memory by fragmenting sleep的研究論文。
記憶鞏固與睡眠高度相關(guān)，且這種關(guān)聯(lián)在無脊椎動物和脊椎動物中都存在。記憶鞏固是一個依賴于時間、將新形成的不穩(wěn)定的記憶向穩(wěn)定記憶的過程。睡眠作為影響記憶的最重要的生理過程之一，已被證明對記憶的幾個不同階段產(chǎn)生影響。且有研究表明，在睡眠期間，特定的腦區(qū)和神經(jīng)核團會出現(xiàn)對某種記憶的神經(jīng)元發(fā)放特征重現(xiàn)的現(xiàn)象，被認為是主動的記憶鞏固過程。然而，將這兩個過程聯(lián)系起來的神經(jīng)機制在很大程度上仍不明確。盡管果蠅的大腦相對簡單，但其行為的復(fù)雜性和基因操作的可行性使其成為剖析這類問題的理想模型。
多巴胺能神經(jīng)元在睡眠和記憶調(diào)控中均發(fā)揮重要作用。在果蠅中，劉暢研究員早期工作里鑒定了PAM多巴胺能神經(jīng)元（DAN）投射到蘑菇體（MB）水平葉，特異性的參與獎賞性學(xué)習(xí)記憶（Liu et al.,?Nature,2012）。隨后，多個團隊的研究不僅將PAM神經(jīng)元類型根據(jù)圖譜特征進行了精細區(qū)分，更發(fā)現(xiàn)多個亞型在記憶以及它們在睡眠中的促醒功能。在果蠅腦內(nèi)，一對背側(cè)成對內(nèi)側(cè)（DPM）神經(jīng)元投射到整個蘑菇體，被鑒定其在記憶鞏固過程中的不可或缺性，以及其通過抑制性的作用發(fā)揮促睡的功能（Waddell，Cell，2000；Haynes et al.,?eLife,2015）。然而，DAN-DPM的功能連接及該微環(huán)路的活動狀態(tài)在睡眠和記憶鞏固中的作用尚不清楚。
研究團隊結(jié)合免疫組化、特異標記的順行示蹤遺傳工具以及離體功能成像技術(shù)，揭示了PAM神經(jīng)元與DPM神經(jīng)元之間存在結(jié)構(gòu)性連接，DPM神經(jīng)元位于PAM神經(jīng)元的下游，且二者之間的突觸連接是抑制性突觸連接的，進一步發(fā)現(xiàn)在DPM神經(jīng)元中Dop1R1受體主導(dǎo)參與抑制功能 （圖1）。
經(jīng)過一系列的行為學(xué)檢測，確定DPM神經(jīng)元在LTM的記憶鞏固過程中是必需的，并發(fā)現(xiàn)PAM神經(jīng)元如在記憶鞏固關(guān)鍵時間窗口短暫被激活，也可導(dǎo)致LTM受損。短暫的抑制DPM或者激活PAM均導(dǎo)致眠量減少且碎片化，覺醒閾值降低。這些結(jié)果表明這兩類神經(jīng)元都參與記憶鞏固和睡眠的調(diào)控（圖2）。
研究團隊為進一步鑒定參與睡眠和記憶鞏固調(diào)控的PAM多巴胺能神經(jīng)元的特異亞型，通過行為學(xué)檢測，結(jié)合解剖學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)PAM-α1神經(jīng)元的短暫增強或減弱，睡眠時長減少且碎片化，LTM受損（圖3）。
接下來，結(jié)合果蠅全腦連接組學(xué)分析、離體功能鈣成像、新型的捕捉定格神經(jīng)元活動的工具CRTC，研究團隊發(fā)現(xiàn)：PAM-α1神經(jīng)元與DPM神經(jīng)元之間形成抑制性的突觸連接，且PAM-α1-DPM微環(huán)路在記憶形成時及記憶鞏固關(guān)鍵時間窗口呈現(xiàn)出協(xié)同的神經(jīng)活動變化（圖4）。
為確定這兩種神經(jīng)元是通過平行且獨立的環(huán)路還是整合的環(huán)路實現(xiàn)對睡眠和長時記憶的調(diào)控，研究團隊利用精致的遺傳學(xué)方法，同時失活兩類神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在饑餓狀態(tài)下，睡眠減少及碎片化的程度與單獨失活其中一類神經(jīng)元的程度相同，闡釋了PAM-DPM微環(huán)路共調(diào)控睡眠和記憶的工作模型。最后，為了加固這一微環(huán)路通過協(xié)同作用導(dǎo)致睡眠干擾與記憶損傷的結(jié)論，研究團隊采用了一種藥理學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)在喂食促眠的THIP（GABA激動劑）后，挽救了因短暫激活 PAM-α1所引起的睡眠紊亂，同時恢復(fù)了受損的長時記憶（圖5）。
在果蠅中，蘑菇體（MB）中高度反饋的神經(jīng)環(huán)路在特異功能定位方面已經(jīng)取得了顯著進展。而在本研究中，研究團隊揭示并鑒定了一個由兩種類型的蘑菇體投射神經(jīng)元所形成的抑制性微環(huán)路和一種特定的多巴胺能神經(jīng)元亞型，通過影響睡眠的動態(tài)變化來介導(dǎo)長時記憶的穩(wěn)定，為理解連接記憶鞏固與睡眠的環(huán)路機制提供了新的見解。
深圳先進院劉暢研究員為最后通訊作者，美國布蘭迪斯大學(xué)Leslie C. Griffith教授以及汕頭大學(xué)李凡教授為共同通訊作者，深圳先進院和南方醫(yī)科大學(xué)深圳市婦幼保健院聯(lián)培博士后顏琳為本文第一作者。該研究主要受到國家自然科學(xué)基金項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目等項目資助以及深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
文章上線截圖
圖1. PAM多巴胺能神經(jīng)元與DPM的結(jié)構(gòu)和功能連接
圖2. 記憶鞏固期抑制DPM神經(jīng)元或者短暫激活PAM影響睡眠和記憶
圖3. 鑒定特異的多巴胺能神經(jīng)元亞型PAM-α1
圖4. PAM-α1-DPM抑制性微環(huán)路及其動態(tài)協(xié)同變化
圖5. PAM-α1-DPM抑制性微環(huán)路橋接睡眠和記憶
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