中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所蒲慕明研究組于9月5日在《自然-神經(jīng)科學(xué)》上在線發(fā)表了一篇題為《與恐懼記憶相關(guān)的杏仁核-皮層突觸特異性變化》的文章，首次揭示了在聽覺恐懼記憶中起重要作用的側(cè)杏仁核-聽覺皮層投射通路，并發(fā)現(xiàn)該通路在聽覺恐懼學(xué)習(xí)后會發(fā)生特異性的突觸連接重構(gòu)。研究人員進(jìn)一步通過雙色雙光子成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，新突觸連接主要通過在已存在的突觸上添加新的突觸結(jié)構(gòu)的方式形成，提示了成年大腦皮層中新突觸形成的基本規(guī)律。

　　條件恐懼是學(xué)習(xí)與記憶研究中常用的行為范式。在聽覺條件恐懼學(xué)習(xí)中，小鼠先聽到一個(gè)聲音，再被給予一個(gè)足部電擊。小鼠會將聲音與電擊關(guān)聯(lián)起來，并在聲音到來時(shí)表現(xiàn)出恐懼反應(yīng)。關(guān)于條件恐懼的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)，人們普遍認(rèn)為，聽覺信息從聽覺丘腦和皮層傳入，然后經(jīng)由聽覺丘腦——側(cè)杏仁核及聽皮層-——側(cè)杏仁核通路，在側(cè)杏仁核與來自體感皮層的電擊信息整合。然而，在此項(xiàng)研究中，結(jié)合熒光標(biāo)記、病毒示蹤和免疫電鏡技術(shù)等，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的投射通路：側(cè)杏仁核——聽覺皮層（圖A）。運(yùn)用化學(xué)遺傳和光遺傳技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)選擇性抑制此通路的神經(jīng)活動(dòng)可大幅度降低小鼠的恐懼反應(yīng)（圖B），表明此通路在恐懼記憶中起著關(guān)鍵作用。

　　側(cè)杏仁核——聽皮層通路在條件恐懼學(xué)習(xí)后是否表現(xiàn)出突觸可塑性？皮層中的突觸由突觸前軸突小結(jié)和突觸后樹突棘構(gòu)成。研究人員用雙光子成像技術(shù)對小鼠聽皮層進(jìn)行在體長期成像，以追蹤此通路中來自側(cè)杏仁核的軸突小結(jié)和聽皮層細(xì)胞的樹突棘的結(jié)構(gòu)變化。研究發(fā)現(xiàn)側(cè)杏仁核的軸突小結(jié)和聽皮層第五層細(xì)胞的頂樹突的樹突棘在恐懼學(xué)習(xí)3天之后都有顯著增加（圖C）。與之形成對照的是，來自前扣帶回皮層和聽覺丘腦的突觸前軸突小結(jié)，以及聽皮層第2/3層細(xì)胞的樹突棘，在恐懼學(xué)習(xí)之后都沒有顯著變化，提示恐懼學(xué)習(xí)可特異性地造成側(cè)杏仁核細(xì)胞與聽皮層第5層細(xì)胞的突觸重構(gòu)。

　　同一根樹突上的不同樹突棘和同一根軸突上的不同軸突小結(jié)都分別會與不同的神經(jīng)元形成突觸。突觸可塑性是否可由特定的連接通路決定？為回答這一問題，研究人員在活體動(dòng)物中首次使用了雙色雙光子成像技術(shù)。通過在特定通路中的突觸前與突觸后神經(jīng)元中表達(dá)不同的熒光蛋白，研究人員可以直接觀察到該通路中的突觸結(jié)構(gòu)。用這個(gè)方法，研究人員發(fā)現(xiàn)，恐懼學(xué)習(xí)后，側(cè)杏仁核——聽皮層通路中的軸突小結(jié)及樹突棘增加比例都遠(yuǎn)高于平均（圖D），即突觸可塑性可由連接通路決定。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)杏仁核——聽皮層通路中的突觸數(shù)目在恐懼訓(xùn)練兩小時(shí)后就有顯著增加，且增加可延續(xù)至3天以上（圖E），與恐懼記憶形成和鞏固的時(shí)程一致，提示此通路可能與恐懼記憶的存儲相關(guān)。

　　使用雙色成像技術(shù)，研究人員還發(fā)現(xiàn)，新形成的突觸絕大多數(shù)都是在已存在的突觸結(jié)構(gòu)上添加新的突觸結(jié)構(gòu)的方式形成（圖F），很少有突觸前后均為新形成的“全新”突觸。這個(gè)新增突觸連接的方式可以節(jié)省空間和結(jié)構(gòu)蛋白數(shù)量，是一種很“經(jīng)濟(jì)”的突觸形成方式。并且，在所有觀察過的皮層下—皮層，以及皮層—皮層通路中，突觸形成都遵循此規(guī)律，故而此規(guī)律可能是成年動(dòng)物大腦皮層中新增突觸的通用規(guī)則。

　　此項(xiàng)工作在蒲慕明指導(dǎo)下，由神經(jīng)所的楊揚(yáng)和劉丹倩共同完成。該研究首次發(fā)現(xiàn)了在恐懼記憶中起重要作用的側(cè)杏仁核——聽覺皮層通路，及該通路與恐懼學(xué)習(xí)相關(guān)的特異性重構(gòu)。此研究為研究通路特異結(jié)構(gòu)的可塑性提供了新方法，對條件恐懼學(xué)習(xí)的神經(jīng)環(huán)路研究是重要的補(bǔ)充，并且提示了成年動(dòng)物大腦中新突觸形成的基本規(guī)律。

　　圖A：局部注射EGFP順向標(biāo)記LA的神經(jīng)元，在同側(cè)ACx能檢測到熒光標(biāo)記的軸突信號。圖B：在LA注射表達(dá)hM4D的病毒。在恐懼記憶測試時(shí)，在ACx局部注射hM4D的配體CNO以阻斷LA-ACx通路的突觸傳遞。* p < 0.05, ** p < 0.01。圖C：在LA注射表達(dá)eArch3.0的病毒。在恐懼記憶測試時(shí)，在ACx照射綠光以抑制投射到ACx的LA軸突。圖D：左：訓(xùn)練后3天，投射到ACx表層的LA軸突小結(jié)的形成比例和消失比例。右：ACx L5神經(jīng)元頂樹突上樹突棘的形成和消失比例。每個(gè)圓圈代表一只小鼠。圖E：左：雙色雙光子在體成像觀察LA的軸突（綠）和L5神經(jīng)元頂樹突（紅）。白色箭頭，三角形和菱形分別指示穩(wěn)定的，新形成的和消失的突觸。右：對照組和實(shí)驗(yàn)組中，LA-ACx突觸在訓(xùn)練后新形成及消失的比例。***p<0.001。圖F：左：新的樹突棘與已有的軸突小結(jié)形成新的突觸。右：新的軸突小結(jié)與已有的樹突棘形成新的突觸。