清华大学药学院鲁白课题组及其合作者揭示时间顺序识别记忆的神经环路与分子机制

清华大学药学院

鲁白/杨锋揭示识别神经环路的分子机制

物体识别记忆，作为一种重要的认知能力，其核心在于区分新鲜事物与熟悉元素，涵盖了对新旧物体的辨别、物体的位置及其时间顺序的评估。举例来说，我们很容易辨别见到的人是熟人的还是陌生人，在哪里见过，什么时候见过。在小鼠实验模型领域，为了探究其神经调控机制，设计了三种识别记忆任务模型（图1）：新物体识别（识别乐高积木是新的）、物体位置识别（右边的瓶子位置被移动过）以及时间顺序记忆（酒瓶先见，鸭子后见）。以往研究显示，周缘皮质（perirhinal cortex, PRH）在上述几种识别记忆任务中均扮演着至关重要的角色。海马体（hippocampus, HP）与内侧前额叶皮质（medial prefrontal cortex, mPFC）被认为参与了识别记忆中的空间布局与时间线索处理，但它们具体如何参与一直没有搞清楚。

图1 物体识别记忆任务

一个重要发现是，任何干扰乙酰胆碱（ACh）从胆碱能神经元释放至关键脑区的过程，会严重扰乱物体识别记忆的功能。这些胆碱能神经元主要聚居于基底前脑（basal forebrain, BF）。已知，BF的胆碱能神经元广泛投射覆盖至大脑的关键区域，包括mPFC与HP（图2）。具体而言，BF胆碱能神经元分布于多个核团，如位于头端的内侧隔核（medial septal nucleus, MS）的神经元专门投射至海马体（HP），而位于尾端的无名质（substantia innominate, SI）与梅纳特基底核（the nucleus basalis of Meynert, nBM）的神经元则靶向mPFC（图2），但这两条通路在物体识别中分别扮演什么角色，迄今不清楚。

图2 物体识别记忆神经环路

“物体识别记忆”是神经科学中的一个经典问题，经过数十年的研究，仍有许多关键问题尚未得到解答。例如：介导三种识别记忆形式的神经环路机制是怎样的呢？SI/nBMmPFC与MS海马体的胆碱能神经元投射，到底有何功能差异？ACh到底在不同识别记忆中起到什么样的作用？它调控识别记忆的细胞和分子机制是什么？等等。该领域进展缓慢的一个主要原因，在于缺乏精确操控神经环路、实时监测ACh释放及区分胆碱能亚群特性的工具。尤为关键的是，ACh信号在精准调控物体出现的时间顺序识别记忆中发挥的作用尚未被揭示。

2024年8月26日，清华大学鲁白教授携手首都医科大学/天坛医院杨锋教授的联合团队，在探索时间顺序识别记忆的环路和分子机制方面取得了重要进展。这一成果，以Ngfr+ Cholinergic Projection from SI/nBM to mPFC Selectively Regulates Temporal Order Recognition Memory为题，发表在Nature Communications。

面对这一挑战，该研究团队巧妙地运用了单细胞转录组测序技术，深入剖析了不同解剖位置胆碱能亚群神经元的分子特征，发现编码p75NTR受体的Ngfr基因特异地表达在BF投射型胆碱能神经元，而非其他脑区的同类细胞。应用基因敲除技术， 显示Ngfr敲除小鼠（Ngfr-/-），选择性地出现物体识别的时间顺序记忆能力障碍，而对新旧物体识别和物体位置记忆则无影响。有趣的是，同样是BF胆碱能神经元，投射到mPFC的SI/nBM神经元兴奋性下降，而投射到海马的MS神经元则正常。该结果提示， SI/nBMmPFC的胆碱能投射，可能在时间顺序识别记忆中发挥关键作用。

借助北京大学李毓龙教授研发的，具有高时空分辨率的ACh 3.0遗传传感器，研究团队揭示了一个非常有趣的现象：在野生型小鼠的行为模式中，当它们主动将头部转向并细致探索某一物体时，mPFC内的ACh释放激增；反之，一旦头部撤离物体，mPFC中的ACh释放则立即下降，这一发现强烈提示ACh信号扮演着物体识别启动者的角色。尤为有趣的是，在测试环节中，当小鼠再次识别并探索来自样本阶段1的先前物体时（图1，下），其mPFC内的ACh释放远超于探索样本阶段2后续物体，这一对比鲜明地展示了mPFC内ACh的释放的多与少，帮助编码与物体接触时间的先与后。这些数据不仅证实了ACh信号在mPFC中启动物体识别，还表明mPFC的ACh信号在区分先前与后续物体的时间顺序识别记忆中发挥重要的作用。

用Ngfr基因敲除小鼠做时间顺序识别实验，无论是在探索样本阶段，还是在测试阶段，ACh完全不释放。导致动物无法识别物体的时间顺序。化学遗传学实验证明，抑制SI/nBMmPFC胆碱能神经元环路会完全阻断ACh在mPFC的释放，并且选择性地破坏动物物体识别时间顺序的能力，而不影响新物体识别和物体位置识别。实际上，mPFC本身的损伤也不会影响新物体和物体位置识别。更进一步，抑制MS海马体的胆碱能环路对时间顺序识别没有影响。综上所述，SI/nBMmPFC胆碱能神经元环路对物物体出现的时间顺序识别至关重要。

图3 Ngfr基因与神经细胞内氯离子稳态和GABA能抑制性输入的关系

为什么SI/nBM的胆碱能神经元如此重要呢？进一步的电生理研究表明，Ngfr的缺失显著削弱了SI/nBM区域内胆碱能神经元的兴奋性，进而减少了mPFC内ACh的释放，这一变化特异性地触发了mPFC锥体神经元细胞膜上KCC2转运体水平的下调，KCC2作为关键的氯离子转运体，其下调直接扰乱了神经细胞内氯离子的稳态平衡（图3）。此稳态失衡进而削弱了mPFC锥体神经元接收到的GABA能抑制性输入，打破了锥体神经元群体间的同步化活动，最终导致了物体识别中时间顺序记忆功能的显著障碍。尼古丁通过增加胆碱能信号，逆转上述表型。

综上所述，本研究不仅发现Ngfr+ SI/nBMmPFC胆碱能神经元环路在介导时间顺序识别记忆中的重要作用，还阐明了该环路中ACh信号调控GABA能抑制性的分子机制，解决了物体识别认知领域中一个长期未解决的问题。由于胆碱能神经元的功能减退和识别记忆障碍是阿尔茨海默病（AD）最早出现的病理和行为表现，本研究也为AD的发病机制研究和新药研发，开辟了一条新路径。

北京大学医学部基础乐竞在线官网梅帆博士是此研究工作的第一作者，鲁白教授与杨锋教授共同担任通讯作者。此外，研究还得到了美国约翰霍普金斯大学Lieber脑研究所Weinberger教授等杰出学者的鼎力相助。

 

鲁白 清华大学药学院

鲁白教授于1982年在华东师范大学本科毕业。1990年获美国康乃尔(Cornel)大学乐竞在线官网博士学位，师从著名神经生物学家，美国神经科学会主席Ira Black教授。1990至1993年美国洛克菲勒(Rockefeller)大学博士后，师从诺贝尔奖得主 Paul Greengard。1993 至1996年任美国罗氏分子生物学研究所及哥伦比亚大学生物系助理教授。1996至2009年任美国国立健康研究院(NIH)，儿童发育研究所神经发育研究室主任。2003至2009年任NIH精神健康研究所(NIMH)基因、认知与精神研究部(GCAP)副主任。2009年至2013年任葛兰索史克中国研发部副总裁，负责整个生物部门学战略发展决策、神经退行性疾病的药物研发，以及包括商业发展和学术合作在内的对外交流工作。2013年10月起，全职到清华大学工作，任乐竞在线官网药学系教授；2016年，任清华大学药学院教授。鲁白教授长期致力于神经营养因子和突触可塑性、以及神经与精神疾病方面的研究，他是该领域具有国际知名神经生物学家。