引言
長期記憶的形成是大腦如何編碼、儲存和檢索過去經驗的基礎，對於個體規劃未來至關重要。杏仁體(basolateral amygdala, BLA)是情緒體驗的中心，對於情緒性記憶，特別是長期恐懼記憶的形成起著關鍵作用。2月7日發表於Nature上的研究“Spatial transcriptomics reveal neuron–astrocyte synergy in long-term memory”，透過高解析度的空間和單細胞轉錄組學分析，研究者能夠在分子和細胞層面上闡明BLA在長期記憶中的作用。
研究發現，特定亞群的神經元和星形膠質細胞在記憶形成過程中展現出特定的轉錄特徵，這些特徵持續數週，涉及神經肽(neuropeptide)和腦源性神經營養因子(BDNF)訊號、MAPK和CREB啟用、泛素化途徑(ubiquitination pathways)和突觸連通性(synaptic connectivity)等關鍵組成部分。研究中的一個重要發現是，記憶形成時，透過增加Penk表達和降低Tac表達定義的神經元亞群，構成了BLA記憶痕跡(memory engram)的最主要組成部分。這些轉錄變化不僅透過單細胞RNA測序(single-cell RNA sequencing)觀察到，也透過單分子空間轉錄組學(single-molecule spatial transcriptomics)在完整切片中得到了豐富的空間對映，為記憶痕跡提供了豐富的空間圖譜。
此外，空間資料還揭示了這些神經元亞群與相鄰的星形膠質細胞相互作用，並且功能實驗表明，神經元與星形膠質細胞的相互作用對於編碼長期記憶至關重要。透過將這些結果與先前的資料集進行整合，研究者們能夠探究大腦不同區域之間在長期恐懼記憶中的區域特異性與普遍性的基因表達變化。這項研究不僅深化了我們對長期記憶形成機制的理解，也為未來針對記憶相關疾病的治療提供了潛在的分子靶點。
Highlights
神經元與星形膠質細胞的協同作用：研究揭示了在長期記憶形成中，特定亞群的神經元(neurons)和星形膠質細胞(astrocytes)之間的協同作用，這種相互作用對於編碼長期記憶至關重要。這一發現突破了以往主要關注神經元角色的研究正規化，強調了星形膠質細胞在記憶形成中的積極作用。
高解析度的空間和單細胞轉錄組學分析：透過結合空間轉錄組學(spatial transcriptomics)和單細胞轉錄組學(single-cell transcriptomics)技術，研究提供了記憶痕跡(memory engram)在分子和細胞層面上的詳細圖譜。這種高解析度的分析方法能夠揭示細胞間複雜的相互作用和轉錄動態，為理解記憶形成的細胞和分子機制提供了新的視角。
記憶痕跡的空間對映：研究不僅識別出參與長期記憶的特定神經元和星形膠質細胞亞群，還透過單分子空間轉錄組學(single-molecule spatial transcriptomics)技術，為這些記憶痕跡提供了豐富的空間圖譜。這些空間資料使研究者能夠在組織層面上精確地定位記憶相關的細胞和基因表達模式。
長期記憶形成的關鍵分子機制：研究發現了多個與長期記憶形成密切相關的分子路徑，如神經肽(neuropeptide)訊號、腦源性神經營養因子(BDNF)訊號、MAPK和CREB啟用以及突觸連通性(synaptic connectivity)等。這些分子機制的揭示為進一步研究記憶形成的生物學基礎和開發相關神經疾病的治療策略提供了重要線索。
跨大腦區域的記憶機制一致性：透過與先前資料的整合分析，研究表明不同大腦區域在長期恐懼記憶中使用了相似的分子程式和細胞型別。這種跨區域的一致性加深了我們對記憶網路如何在大腦內協調工作以形成和儲存記憶的理解。
Strategies
空間轉錄組學(Spatial Transcriptomics)：利用空間轉錄組學技術在組織切片層面上測定基因表達，為記憶痕跡(memory engram)提供空間分佈圖譜。透過對固定的大腦切片進行高通量的基因表達分析，能夠在保持細胞原有空間位置的情況下，測定數千個基因的表達水平，揭示特定神經元亞群與相鄰星形膠質細胞的空間相互作用模式。
單細胞轉錄組學(Single-Cell Transcriptomics)：透過單細胞RNA測序技術分析單個細胞的基因表達，揭示神經元和星形膠質細胞在分子層面的異質性和記憶特異性轉錄特徵。將單個細胞分離並提取其RNA，進行逆轉錄和擴增，然後透過高通量測序技術分析其基因表達譜。這一方法可以識別出參與長期記憶的特定細胞亞群及其轉錄活動。
基因編輯(Gene Editing)： 透過CRISPR/Cas9等基因編輯技術，驗證特定基因在記憶形成中的功能和作用。選擇與長期記憶形成密切相關的目標基因，使用CRISPR/Cas9系統對這些基因進行敲除或敲降，然後透過行為學和分子生物學實驗評估這些基因編輯對記憶形成的影響。
行為學實驗(Behavioral Experiments)： 透過行為學測試評估長期記憶的形成，以及基因編輯後對記憶功能的影響。採用恐懼條件化(fear conditioning)實驗等經典行為學測試，評估小鼠的記憶形成和記憶召回能力。透過比較野生型和基因編輯後小鼠的行為表現，瞭解特定基因在記憶過程中的作用。
綜合分析(Integrated Analysis)：將空間轉錄組學和單細胞轉錄組學資料進行整合分析，揭示長期記憶過程中的細胞型別特異性和區域特異性基因表達模式。利用生物資訊學工具對資料進行綜合分析，識別記憶過程中的關鍵基因和訊號通路，以及它們在不同細胞型別和大腦區域中的分佈和作用。
Advancements
記憶特異性的轉錄特徵：研究發現，在長期恐懼記憶形成過程中，特定亞群的神經元和星形膠質細胞展現出記憶特異性的持續轉錄特徵。這些特徵涉及神經肽(neuropeptide)和腦源性神經營養因子(Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF)訊號、絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK)和cAMP反應元件結合蛋白(CAMP Response Element-Binding Protein, CREB)啟用、泛素化途徑(ubiquitination pathways)和突觸連線性(synaptic connectivity)等關鍵組成部分。
記憶痕跡的空間對映： 透過單分子空間轉錄組學(single-molecule spatial transcriptomics)技術，研究提供了記憶痕跡(memory engram)的空間圖譜，顯示出特定神經元亞群與相鄰星形膠質細胞的精確空間相互作用模式。
星形膠質細胞與神經元的協同作用： 空間資料揭示了記憶形成時特定神經元亞群與相鄰星形膠質細胞之間的互動。功能實驗顯示，神經元與星形膠質細胞的相互作用對於編碼長期記憶至關重要。
長期記憶形成的關鍵分子機制： 透過單細胞轉錄組學分析，識別了與長期記憶形成密切相關的分子機制，包括在特定神經元亞群中觀察到的Penk基因表達增加和Tac基因表達降低。
跨大腦區域的記憶機制一致性：透過與先前資料集的整合分析，發現不同大腦區域在長期恐懼記憶中使用了相似的分子程式和細胞型別。這表明長期記憶的形成和儲存可能依賴於大腦內不同區域間的協調作用。
星形膠質細胞在記憶形成中的作用： 實驗進一步證明了星形膠質細胞在記憶形成中的積極作用。透過基因編輯技術抑制星形膠質細胞的啟用，導致記憶形成能力的下降，強調了星形膠質細胞在調節神經元功能和促進記憶形成中的關鍵角色。
空間轉錄組學解析了記憶痕跡和與記憶相關的基因（Credit: Nature）
Prospects
具體的分子通路如何調節記憶形成？雖然研究識別了多個與長期記憶形成相關的關鍵分子和訊號通路，如神經肽、BDNF訊號、MAPK和CREB啟用等，但這些分子和訊號通路如何具體地在細胞內相互作用，共同調控記憶形成的詳細機制仍需進一步研究。
星形膠質細胞如何精確調控神經元功能？研究顯示星形膠質細胞在記憶形成中起到關鍵作用，但星形膠質細胞是如何影響特定神經元亞群的功能，以及它們如何精確調節神經訊號傳遞和突觸可塑性仍不完全清楚。
記憶痕跡的長期穩定性機制是什麼？研究揭示了記憶痕跡的空間對映和轉錄特徵，但這些記憶痕跡是如何在長時間內保持穩定的，以及支援記憶長期儲存的分子和結構基礎仍是一個開放的問題。
不同大腦區域間如何協同工作以形成一致的記憶？研究發現不同大腦區域在形成長期記憶時存在一致的分子機制，但這些區域如何相互協調，以及資訊如何在這些區域間傳遞以形成完整的記憶網路，需要更深入的研究。
記憶形成與遺忘的平衡如何調節？記憶的形成和遺忘是大腦資訊處理的兩個重要方面，研究集中於記憶形成的機制，遺忘過程中相應的分子和細胞機制，以及如何平衡記憶的穩定性與可塑性仍有待探索。
如何將這些發現轉化為治療記憶障礙的策略？研究為理解記憶形成提供了新的分子目標，但如何將這些基礎科學的發現轉化為具體的治療策略，以應對(Alzheimers disease)等記憶障礙，仍然是一個巨大的挑戰。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-07011-6
Sun W, Liu Z, Jiang X, Chen MB, Dong H, Liu J, Südhof TC, Quake SR. Spatial transcriptomics reveal neuron-astrocyte synergy in long-term memory. Nature. 2024 Feb 7. doi: 10.1038/s41586-023-07011-6. Epub ahead of print. PMID: 38326616.
責編|探索君
排版|探索君
End
