记忆印迹是通过依赖于经验的神经回路重塑而形成的，但其详细的结构尚未得到明确。
基于此，2025年3月21日，美国斯克里普斯研究所Anton Maximov研究团队在Science杂志发表研究论文“Synaptic architecture of a memory engram in the mouse hippocampus”揭示了小鼠海马中记忆印迹的突触结构。
作者利用三维电子显微镜技术，在对联想学习过程中具有相关兴奋的远期历史细胞集合进行化学遗传学标记之后，对海马CA3-CA1通路进行了纳米级的重建。参与记忆获取的投射神经元通过多突触终扣扩展了它们的连接组，同时却没有改变单个轴突末端和树突棘的数量以及空间排列。这种扩展是由特定的负性效价刺激所引发的突触前活动驱动的，代表记忆印迹的初始细胞集合的重新连接，与谷氨酸能突触的形状和细胞器组成方面的局部、输入特异性变化相吻合，这反映了这些突触的权重以及进一步修饰的潜力。
图一 用于识别小鼠海马中长期记忆的超微结构相关因素
以情境恐惧条件反射（CFC）这一神经行为范式研究小鼠海马中与长期信息存储相关的结构，重点关注CA3-CA1通路在联想学习和记忆中的重要性，通过病毒注射不可逆地标记短暂激活的细胞群体。训练后30分钟通过腹腔注射三甲氧苄氨嘧啶（TMP）从而诱导APEX2-mGFP表达。一周后将AAVDJ-DIO:APEX2-mGFP注射到FosDD-Cre小鼠的CA3和CA1区域，标记两个区域中共同激活的谷氨酸能锥体神经元（PNs），排除偶尔标记的GABA能中间神经元。APEX2-mGFP仅在TMP给药后表达，且CFC使其明显上调。与对照TMP处理小鼠相比，恐惧条件反射小鼠CA1和CA3锥体细胞层中APEX2-mGFP阳性神经元数量增加约4.5倍，从占总群体的约1.8%增加到约8%。对恐惧条件反射小鼠急性脑切片中标记（+）和相邻未标记（-）的CA1 PNs进行全细胞电流钳记录，发现标记神经元动作电位发放阈值更高，可能反映了内在兴奋性的稳态抑制；同时，电压钳记录表明标记PNs的兴奋性突触强度无明显广泛变化。
图二 CA3-CA1通路中锥体神经元的局部连接组
为了阐明CA3-CA1通路的结构如何受负性效价刺激调节，作者接下来对经历情境恐惧条件反射的小鼠的CA1辐射层（CA1sr）进行重建分析。关注CA1锥体神经元的树突并绘制其树突棘，发现未标记（-）和标记（+）神经元的树突分支上树突棘的空间分布和总数几乎没有区别，说明感觉经验带来的树突棘生长和消除在长期对神经元连接的影响未见明显差异。比较SchC纤维，结果显示，（+）纤维形成的大多数（约85%）末端与（-）树突的树突棘接触，（+）树突棘接受来自（-）和（+）轴突输入的百分比没有显著差异。（-）和（+）轴突具有相似的分支，且支配各种形态不同的树突棘。
图三 突触前活动与学习相关，但对线粒体和内质网的影响各有不同
为了深入了解在联想学习中被激活的PNs的谷氨酸能突触的结构决定因素，对参与能量代谢、蛋白质合成和细胞内钙信号传导的线粒体和SER等膜细胞器进行重建研究。线粒体除了为SNARE介导的囊泡融合和循环提供ATP外，还能通过防止重复动作电位引发的钙积累来调节神经递质释放动力学；跨越树突轴的线粒体很少进入树突棘。SER网络的一部分：树突棘器（SA）被认为可调节谷氨酸能PNs的突触后钙稳态以及树突棘内的局部翻译。恐惧条件反射小鼠中（+）SchC轴突上含有线粒体的终扣往往更多，但差异并不明显。接受来自CA3 PNs的（+）SchC轴突输入的树突棘，无论突触前终扣类型如何都出现了明显的与CFC相关的SA缺失。由于有效的钙缓冲对于囊泡释放的同步化很重要，且该过程依赖于轴突线粒体的锚定及其大小，研究发现CFC激活的PNs增大的终扣中线粒体的中位体积增加了1.3倍。配对相关性分析表明，突触前线粒体的大小与终扣大小以及所接触的树突棘数量成正比。与学习相关的突触前活动通过促进轴突线粒体的局部功能和使树突棘中的SA失活，对维持突触稳态以及决定短期和长期可塑性倾向的细胞器产生不同影响。
总结
记忆是如何在大脑中形成和存储的？该研究使用三维电子显微镜结合化学遗传标记和行为分析来探究短期恐惧记忆获取的结构变化，重点研究了Schaffer侧支突触。研究发现，短期记忆的获取与多突触 Boutons的选择性增加有关，而无需同时激活突触连接的神经元参与。这些结果扩展了对记忆形成机制的理解。
https://doi.org/10.1101/2024.04.23.590812