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海马牙状回发育期（DBN）和成年期（ABN）神经元对T迷宫空间工作记忆的作用存在差异。通过GFAP-TK模型抑制ABN并观察其不影响工作记忆，而抑制DBN则显著降低交替成功率。研究揭示DBN是短期工作记忆的关键输出源，ABN不参与该任务，突显不同发育阶段神经元的功能分化。
作者：Mackenzie D. Ward、Jason S. Snyder、Désirée R. Seib
单位：爱德华王子岛大学生物系，查洛特敦，PE省
摘要
海马体的齿状回（DG）包含一群异质性的颗粒细胞，这些细胞既包括在发育过程中产生的神经元，也包括成年后产生的神经元。新神经元的持续生成对工作记忆（WM）有贡献，但发育过程中产生的神经元（DBNs）与成年后产生的神经元（ABNs）在记忆功能中的相对重要性尚未明确。为了研究这些神经元群体的作用，我们使用了两种互补的大鼠模型来观察它们在T型迷宫中的自发交替任务中的表现。在GFAP-TK大鼠中，通过缬更昔洛韦处理消除ABNs并未影响工作记忆，这表明成年后的神经发生对于这项任务并非必需。相反，化学遗传学方法抑制出生后第1天的DBNs显著降低了交替任务的成功率，表明这一神经元群体在工作记忆中具有选择性作用。这些发现表明，只有DBNs而非ABNs为大鼠的短时延迟工作记忆提供了关键输出。我们的结果突显了不同发育来源的神经元群体在功能上的差异，并强调了齿状回颗粒细胞对海马记忆功能的物种特异性贡献。
引言
海马体的齿状回（DG）是大脑中两个被广泛研究的区域之一，在这两个区域中，新神经元会在发育结束后继续生成，这一现象已在多种物种中得到证实，包括啮齿类动物[1]、非人类灵长类动物[3]和人类[5]。新神经元在整个生命过程中由齿状回的亚颗粒区（SGZ）中的神经前体细胞产生[6]。新神经元的持续整合与海马体的多种功能相关，如记忆形成[7]、模式分离[12]、情绪调节[15]、认知灵活性[18]和决策制定[19]等。在啮齿类动物中，DG的发育在出生时达到高峰，随后逐渐减弱，但会持续到老年[22, 23]。人类研究表明，大约三分之一的DG神经元在成年后仍会更新，更新后的亚群体每年约有1.75%的更新率[24, 25]。重要的是，促进神经发生的因素（如自愿运动或基因调控）能够改善老年动物的学习和记忆能力[26-30]，而导航训练则有助于保护人类的海马结构[31]。
持续的新神经元生成使得DG成为一个由不同年龄神经元组成的异质性群体。在大鼠中，成年后产生的神经元（ABNs）在24周的时间内逐渐成熟，其树突复杂性、棘突密度和苔藓纤维末端都比发育过程中产生的神经元（DBNs）更高[32]。电生理记录显示，未成熟的ABNs具有高度的兴奋性，在苔藓纤维末端保持可靠的信号输出[33, 34, 35]。研究表明，ABNs的放电频率更高，但空间调谐范围更广，这有助于海马体的群体稀疏性和新奇性检测[36, 37]。环境丰富化进一步增强了ABNs在空间信息编码和海马表征重映射中的作用[38, 39]。这些结构和功能上的差异为神经元年龄对DG动态特化的影响提供了机制基础。
多项跨物种的研究强调了DG活动在记忆检索中的重要性[40-42]。DG神经元的发育年龄决定了它们在记忆中的功能角色。即使某些神经元群体是在成年后产生的，它们仍能对记忆产生独特贡献[43]。成年后的神经发生与多种依赖海马体的记忆形式有关，包括工作记忆。工作记忆缺陷在衰老过程中很常见[44]，也存在于许多神经和精神疾病中，如帕金森病[45]、精神分裂症[47]和重度抑郁症[49, 50]。
在小鼠中，损伤DG会降低T型迷宫中的自发交替任务表现[51]。我们的研究表明，在小鼠中，调节海马体的神经发生水平会可靠地影响其工作记忆表现。在一种基因改造的小鼠模型中，减少神经发生会导致工作记忆受损，但通过增加运动可以暂时恢复这种损伤[29]。类似地，增加神经发生和新添加神经元的复杂性也能改善工作记忆[52]。长期抑制ABNs会导致胆碱能功能障碍和工作记忆缺陷，而通过化学遗传学方法激活胆碱能输入可以恢复这些缺陷[53]。此外，去甲肾上腺素的缺乏也会减少神经发生并选择性地损害工作记忆[54]。因此，小鼠的工作记忆表现强烈依赖于ABNs的存在及其发育时间。
相比之下，大鼠的研究结果表明DG神经元的作用有所不同。DG损伤会损害径向迷宫中的工作记忆并减少CA3区的尖波涟漪生成[55]。虽然放射处理会降低T型迷宫中的工作记忆，但不会影响恐惧条件反射中的情境学习[56]。同样，在GFAP-TK大鼠中，放射处理对径向迷宫中的空间工作记忆没有影响[57]。然而，Lipska及其同事发现，新生期而非成年期的腹侧海马损伤会损害大鼠在T型迷宫中的连续空间交替任务表现[58]。产前神经发生的干扰也会对径向迷宫中的工作记忆产生负面影响[59]。其他研究还揭示了海马体的亚区域贡献：在空间工作记忆测试前，临时失活背侧或腹侧海马（通过微注射muscimol）表明，仅背侧海马的失活会损害非匹配位置T型迷宫中的交替任务表现[60]。
总之，现有文献表明，DG颗粒细胞的亚群体在大鼠的工作记忆中扮演着多种角色，成年后产生的神经元在小鼠和工作记忆中也有不同的功能。因此，我们利用T型迷宫中的自发交替任务（该任务已被证明依赖于神经发生）来测试没有神经发生的大鼠是否能够完成这项任务，或者是否有其他类型的齿状回神经元对T型迷宫中的工作记忆至关重要。
实验细节
动物
所有实验均获得了不列颠哥伦比亚大学动物护理委员会的批准，并遵循加拿大动物护理委员会的指导原则，确保动物得到人道和伦理的对待。GFAP-TK大鼠和Long-Evans大鼠是在心理学系的动物设施中饲养的，采用12小时光照/黑暗周期，光照时间从上午9点开始。野生型繁殖大鼠来自加拿大Charles River公司。实验在光照阶段进行。
T型迷宫中缺乏成年神经发生不会影响工作记忆
经过VGCV处理的GFAP-TK（TK）大鼠及其野生型（WT）对照组大鼠在T型迷宫中进行了4天的自发交替任务测试，每天进行一次实验（图1A）。每次实验包括4次尝试，每次尝试包含一次强制运行和一次选择运行（图1B）。TK大鼠和WT大鼠在这项任务中的成功率都非常高，正如先前研究所表明的那样[20, 65]，缺乏神经发生并未影响TK大鼠的表现（图1C, D）。
讨论
我们使用GFAP-TK模型来研究成年后产生的未成熟神经元在大鼠工作记忆中的作用。在这个模型中，表达HSV来源胸苷激酶的活跃分裂神经干细胞通过抗病毒药物VGCV被杀死。TK大鼠和WT大鼠的成功率都很高，缺乏神经发生并未影响它们的表现。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会（JSS, DRS）、德国研究基金会（DRS）、大脑与行为研究基金会（DRS）、Michael Smith健康研究基金会（JSS）、J.-Louis Lévesque基金会（DRS）以及加拿大卫生研究院（JSS）的资助。我们感谢Oren Princz Lebel和Erin Chahley在行为实验中的帮助，也感谢Rylie D. Kane对手稿的修改建议。
