腦智卓越中心解析痕跡型恐懼關聯學習的神經機制

7月22日，《細胞報告》（Cell Reports）在線發表了題為Learning-prolonged maintenance of stimulus information in CA1 and Subiculum during trace fear conditioning的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、神經科學國家重點實驗室徐春研究組完成。該研究利用自由活動動物光遺傳學和鈣成像等技術發現，海馬CA1腦區到下托（Subiculum，Sub）的神經環路參與痕跡型恐懼關聯學習；CA1腦區和下托腦區對不連續事件間隔期內的信息維持和傳遞均有重要貢獻，但CA1腦區對學習后恐懼記憶的形成和存儲更加重要。該研究揭示了不連續事件關聯學習的神經機制，為傳統關聯學習和記憶形成的神經機制提供了新認知、奠定了理論基礎。

　　現實生活中，人們時常需要將前后間隔發生的事件進行關聯，形成聯合型情景記憶。記憶形成后，人們可以根據先前信息去預測后續事件發生，從而及時做出行為反應。在神經科學研究中，研究常用痕跡型條件恐懼行為范式（Trace fear conditioning，TFC）來探究這種不連續事件關聯學習的神經機制。TFC不同于經典的巴甫洛夫延遲型條件恐懼行為范式（Delay fear conditioning，DFC）。在DFC中，條件性刺激CS（如聲音）和非條件性反射刺激US（如疼痛電擊）之間沒有時間間隔。而在TFC恐懼行為范式中，CS與US之間存在一段幾秒到幾十秒的時間間隔。這段時間間隔被稱為痕跡（trace）。痕跡越長，關聯學習的難度越大。TFC與DFC相比，需要涉及更多的高級認知功能如工作記憶和時間表征等，故它的神經機制更加復雜。基于TFC邏輯的行為范式常用于神經退行性疾病的認知測試以及情緒異常的精神疾病研究，因而探索其背后的神經機制對相關領域的理解和應用具有重要的參考作用。

　　徐春研究組利用神經環路示蹤和光遺傳行為學等方法，發現光遺傳學抑制CA1投射到Sub的神經末梢可以阻礙CS與US的關聯學習，確定了CA1到下托Sub的神經環路對TFC成功學習有至關重要作用。該團隊運用自由移動頭戴式鈣成像（miniscope Ca2+

　　imaging）技術，分別在CA1和Sub腦區全程記錄了興奮性神經元在TFC行為訓練當中的神經活動。研究發現，CA1和Sub的神經元在CS結束后均有延續性的神經活動，這可能是海馬腦區維持短時記憶信息的基本表現特征。CA1和Sub神經元展現出如下幾方面的神經可塑性：（1）CA1和Sub腦區中對CS和trace有明顯反應的神經元數量隨著學習進行而增加。其中，CA1神經元的活躍比例還與恐懼記憶形成的強度呈現正相關性。（2）CA1的神經元在trace階段的群體活動特征逐步變得與CS階段的群體活動特征相似（圖1G），表明trace階段的CS信息維持得到了提高。（3）隨著TFC學習的進行，CA1和Sub神經元在trace階段的最高活動時間點逐漸向后延遲，向US發生時間點靠近。這將有助于CS信息與US形成關聯記憶。

　　非條件刺激US是學習過程中形成關聯學習的強化因子。研究發現，CA1腦區的US反應細胞的數量隨著學習逐步增加，并與恐懼記憶形成的強弱相關。而這一現象在Sub腦區的US反應細胞中不存在，說明CA1細胞參與了US信息的編碼和記憶儲存。究其原因，CA1腦區中對US刺激表現出穩定反應的神經元多于Sub，這可能是CA1深度參與US相關的恐懼記憶的深層原因。

　　研究表明，CA1-Sub環路對不連續事件的關聯學習具有重要作用。CA1和Sub神經元在外界刺激信息結束后均具有一定的信息維持能力。這種信息維持能力在學習過程中可被逐步加強、持續更久。與Sub神經元相比，CA1神經元對恐懼記憶的儲存起到更大的貢獻作用。這揭示了海馬腦區在不連續事件關聯學習中的重要作用和神經環路機制，豐富了學習與記憶研究的生物學基礎理論。