《Journal of Neurochemistry》：Engram Synapses and Synapse Dynamics in Memory Processing
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本文系统回顾了突触形成与消除的动态过程在记忆存储与加工中的核心作用，特别聚焦于在不同脑区之间、被记忆“印迹”神经元所标记的“印迹突触”。综述总结了基于活体双光子成像等技术的研究，揭示了多种记忆类型下突触结构重塑的时空模式及其相关的分子机制，强调了印迹特异性突触可塑性对记忆编码、巩固和提取的重要性。文章指出，对这一领域的深入系统研究，将有助于深化对记忆本质和脑功能的理解。
记忆的物理痕迹：大脑如何通过构建和拆解突触来存储信息
1 引言
我们如何记住一次惊吓、学会一项技能？越来越多的证据表明，记忆不仅仅是抽象概念的组合，它在大脑中拥有明确的物理载体。这些载体不仅包括那些在记忆形成时被激活的特定神经元群体——即“记忆印迹细胞”，更关键的是这些细胞之间连接点的动态变化。突触，作为神经元之间的信息传递枢纽，其数量、强度和结构的动态变化，被认为是学习和记忆的神经基础。记忆的形成不仅会改变已有突触的效能，更能重塑整个突触网络的格局。这篇综述将带我们探索记忆处理过程中，突触如何“破土动工”与“悄然消失”，以及这些变化背后的精密分子机制。
2 动态突触重塑遍布于不同记忆类型和阶段
2.1 海马体中的印迹特异性突触发生与网络重组
情景恐惧条件反射是研究联想记忆结构编码的经典模型。研究发现，在条件反射后，被标记的CA3和CA1印迹神经元之间的突触连接会特异性增强，这提示记忆形成涉及印迹特异性突触发生。通过一种名为“双增强绿色荧光蛋白在突触伙伴间重建”的技术，科学家得以直接观察并量化这些专属于印迹神经元之间的功能性突触。除了突触密度增加，条件反射还会导致印迹-印迹突触的树突棘头直径显著增大，表明其结构强化，这很可能支持了突触效能的提升。
更引人入胜的是，活体纵向成像研究揭示了记忆状态下相关脑区的突触动态。例如，条件反射后，CA3和CA1印迹神经元之间形成的新突触并非随机分布，而是倾向于在树突分支上形成空间“簇”。这种空间组织形式意味着恐惧学习促进了印迹网络内部的突触集群化，可能增强了信息编码的效率和特异性，从而支持记忆巩固。有趣的是，新突触的集群化程度与后续印迹细胞的再激活程度相关，这进一步印证了其在记忆存储中的功能意义。
在突触前层面，学习也会诱导结构重塑。研究发现，条件反射7天后，源自CA3轴突的“多突触终扣”会接触多个棘，这揭示了学习诱导新突触形成的另一面。多突触终扣的形成是活动依赖性的，在长时程增强诱导后迅速发生，并需要N-甲基-D-天冬氨酸受体的激活。这些发现共同表明，记忆编码伴随着海马连接的选择性重构，通过特异性突触发生、潜在突触的增强以及印迹连接的空间集群化，为记忆提供了一个稳定而灵活的结构基础。
2.2 听觉恐惧条件反射诱导的杏仁核和听觉皮层树突棘重塑
听觉恐惧条件反射会在包括听觉皮层和杏仁核在内的多个感觉和情感回路中诱导结构可塑性。在听觉皮层，记忆形成涉及兴奋性突触的结构和功能变化。活体双光子成像显示，在听觉恐惧条件反射后，特别是那些在学习过程中被激活的神经元，其树突棘的更新率增加，这展示了经验特异性的突触重塑。
进一步的研究将听觉皮层到外侧杏仁核通路中的印迹与非印迹神经元树突棘进行了直接比较。结果显示，条件反射后，通过双增强绿色荧光蛋白在突触伙伴间重建技术可视化的印迹-印迹突触，其棘头直径和体积与非印迹-印迹突触相比显著增加，而总棘密度没有变化。这表明，听觉恐惧记忆的编码涉及功能定义的印迹细胞之间突触输入的选择性强化。
2.3 记忆的系统巩固
记忆的系统巩固理论认为，记忆形成后，其网络会随时间逐渐变化。结构分析表明，在记忆相关的皮层区域，兴奋性神经元上会形成新的突触。例如，在条件反射后的记忆巩固期，内侧前额叶皮层的树突棘密度会增加。对记忆印迹的全脑鉴定也显示，情景恐惧记忆的印迹分布在众多与海马体或杏仁核功能相连的脑区。
研究表明，与海马体中的印迹神经元相比，前额叶皮层中的印迹神经元成熟相对较慢。前额叶印迹神经元在恐惧记忆巩固后显示出棘密度增加，并且神经元活动仅在远程时间点是必需的。这种较慢的成熟可能与睡眠期间的海马重放以及印迹神经元内部的长时程遗传程序有关。转录组学分析也发现，在远程时间点，与突触和树突棘相关的基因在印迹神经元中表达上调，这或许为观察到的棘密度增加提供了分子解释。
2.4 记忆消退
记忆消退，即通过重复呈现条件刺激来减弱恐惧反应的过程，同样会诱导树突棘的动态变化。消退不仅仅是原有记忆的抹除，它还涉及一个新的抑制性记忆的形成。在突触水平，恐惧记忆消退会导致特定回路中突触的弱化。同时，消退也会诱导新树突棘的形成。研究表明，记忆消退后，在额叶联合皮层和运动皮层的第五层，树突棘的形成会增加。有趣的是，消退后形成的新棘在空间位置上紧邻因恐惧条件反射而被消除的棘附近。这种刺激特异性和树突分支特异性的突触形成与消除，可能有助于消退印迹的形成和恐惧记忆印迹的更新。
2.5 运动记忆巩固
运动记忆的形成和巩固，伴随着初级运动皮层、小脑和纹状体等相关脑区突触强度的变化。运动技能习得会诱导相关神经回路的学习特异性突触可塑性。在初级运动皮层，运动学习后可以在第五层锥体神经元的顶端树突簇观察到新树突棘的形成。在学习新的重复性运动任务时，新增的树突棘倾向于以“簇”的形式出现，并且比非集群的棘更加稳定。运动技能习得启动后，动物的运动表现与学习诱导的新棘的长期存活率相关。
此外，增强的突触密度和棘头大小也在经历加速旋转棒任务的学习小鼠的次级与初级运动皮层印迹神经元之间的突触中被观察到。类似的，初级运动皮层和纹状体之间的区域间运动印迹神经元的连接也被证明在学习后得到强化。这些发现共同表明，前脑运动回路中的活动依赖性突触形成是运动记忆形成的基础。
2.6 睡眠期间的新突触形成——记忆巩固过程中的突触重塑
在学习和睡眠后的记忆巩固过程中，也会发生新突触的形成。睡眠剥夺会降低棘密度。清醒期观察到的神经元活动会在睡眠期间在海马体内“重放”，这种重放触发了各种参与长时记忆脑区的“离线突触可塑性”。大脑内的突触网络通过选择性的突触修剪和学习相关突触的增强，为记忆巩固和未来技能习得进行优化。
运动学习后的睡眠，促进了运动皮层内新的突触连接的形成。在学习后的非快速眼动睡眠期间，可以在第五层锥体神经元的特定树突分支上观察到新的树突棘。不同的运动学习任务会导致不同分支上形成不同的树突棘模式，并且这些棘的存活率更高。有趣的是，非快速眼动睡眠期间学习相关神经元的再激活，对于新突触的生成是必要的。而学习后的快速眼动睡眠期间的突触下调，则平衡了新突触的生成。大部分新添加的棘会被选择性消除，而其中一些则会被增强并持续更长时间。
3 突触形成的分子和细胞机制
3.1 成年的活动依赖性突触发生分子
树突棘的局部密度可能会影响突触重塑的可能性，这表明结构可塑性存在空间调控。活体双光子成像研究显示，在恐惧条件反射前，那些注定要成为印迹一部分的树突分支，其棘密度显著低于非印迹树突。学习之后，新的印迹突触优先形成在这些最初棘密度较低的树突上，表明活动依赖性的印迹突触形成更倾向于发生在初始棘密度较低的树突节段。在体外的海马器官型脑片培养中，也观察到类似现象：通过应用一种化学性晚时相长时程增强诱导剂Forskolin重复诱导长时程增强，发现在已有棘密度较低的树突区域，棘的形成更为显著。这些发现支持了突触重塑遵循局部结构偏好的观点，其形成和消除并非随机，而是有助于维持树突水平的稳态。
这种由已有棘密度决定的结构模式，引出了一个核心问题：神经元如何在局部调控选择性可塑性？越来越多的证据表明，这种空间偏向的重塑反映了特定分子通路的作用，这些通路响应神经元活动并维持结构平衡。特别是，成年大脑中的活动依赖性突触发生，由多种细胞内信号级联反应协调。这种多层级的调控使得神经元能够根据经验高特异性地修改其连接性。
在已提出的介导活动依赖性突触形成的机制中，脑源性神经营养因子信号通路因其在连接神经元活动与突触可塑性方面的作用而被广泛研究。脑源性神经营养因子在调节突触发育、可塑性和成年大脑的重塑中扮演多面角色。它的功能由其复杂的时空动态、分泌模式以及从前体脑源性神经营养因子到成熟脑源性神经营养因子的转化所塑造。脑源性神经营养因子被合成为前体-前体脑源性神经营养因子，在细胞内被切割成前体脑源性神经营养因子，随后成为成熟的脑源性神经营养因子。前体脑源性神经营养因子的成熟由基质金属蛋白酶-9以活动依赖性方式调控。成熟的脑源性神经营养因子优先结合原肌球蛋白受体激酶B受体，促进突触发生和长时程增强，而前体脑源性神经营养因子与p75NTR相互作用，导致相反的效果，如长时程抑制和细胞凋亡。
除了脑源性神经营养因子，神经元激活期间的钙内流会启动一个涉及Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶、Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶I和βPAK相互作用交换因子的细胞内信号级联反应。这个Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶–Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶I–βPAK相互作用交换因子复合体被招募到激活的棘，并通过Ras相关的C3肉毒杆菌毒素底物1促进肌动蛋白聚合，驱动树突棘生长和稳定。机制上，Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶I在Ser516位点磷酸化βPAK相互作用交换因子，增强其对Ras相关的C3肉毒杆菌毒素底物1的交换活性，促进肌动蛋白重塑。荧光成像显示，N-甲基-D-天冬氨酸受体刺激后，βPAK相互作用交换因子快速被招募到树突棘，且这种招募与棘的增大相关。敲低或药理学抑制Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶、Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶I或βPAK相互作用交换因子，会破坏活动诱导的棘发生，表明该通路支持结构可塑性。
越来越多的证据表明，星形胶质细胞在行为相关条件下调节成年海马的突触重塑。在情景恐惧条件反射中，星形胶质细胞特异性删除Ephrin-B1会增强记忆回忆，而在海马星形胶质细胞中过表达Ephrin-B1则会损害表现，表明星形胶质细胞Ephrin-B1是成年期学习所必需的。与这些行为效应一致，星形胶质细胞特异性删除Ephrin-B1会增加CA1锥体神经元上未成熟棘和兴奋性突触位点的数量，表明星形胶质细胞Ephrin-B1限制了结构未成熟突触的积累。相反，在成年海马星形胶质细胞中过表达Ephrin-B1，会减少恐惧学习后c-Fos阳性神经元的树突棘密度和集群。在星形胶质细胞-神经元相互作用的层面，Ephrin-B1使星形胶质细胞能够选择性吞噬那些含有神经元EphB受体的突触前终扣。这种EphB依赖性对未成熟突触前物质的摄取，为成年CA1回路中的突触重塑提供了一种途径。
3.2 调控树突棘形成的分子工具
学习诱导的长时程增强涉及多种分子信号级联。通过开发能够精确控制这些级联的工具来调控记忆功能的努力，为理解记忆的分子机制提供了重要见解。目前，两种转录因子，cAMP反应元件结合蛋白和肌细胞增强因子2，被用于双向调控棘密度。cAMP反应元件结合蛋白调控是调节突触功能的广泛使用策略。研究发现，通过病毒载体在外侧杏仁核神经元中过表达cAMP反应元件结合蛋白或其显性失活突变体，可以在活体内双向调节外侧杏仁核神经元的棘密度。此外，cAMP反应元件结合蛋白功能对于加强远程记忆印迹功能是必要的。当在外侧杏仁核的推定印迹细胞中激活光遗传学控制的显性失活cAMP反应元件结合蛋白时，记忆功能会增加。这些结果表明，cAMP反应元件结合蛋白依赖的棘发生是记忆存储所必需的。
由于树突棘经历结构更替，棘形成与消除之间的平衡对于突触的适当调控是必要的。肌细胞增强因子2以活动依赖性方式降低棘密度。研究利用疱疹病毒载体递送的组成型活性肌细胞增强因子2-VP16来急性激活肌细胞增强因子2。他们发现，肌细胞增强因子2过表达阻断了齿状回颗粒细胞学习依赖性的棘密度增加，也阻断了记忆功能本身。类似地，另一项研究表明，在记忆形成后1天于前扣带皮层激活肌细胞增强因子2-VP16，会阻断远程记忆的形成。这些研究中采用的分子工具表明，在特定时间点的突触发生对于记忆存储至关重要。
3.3 突触标记与捕获
“突触标记与捕获”模型被提出来解释新突触的形成。该假说认为，由弱刺激（如单次强直刺激）诱导的早时相长时程增强，会在被刺激的突触上留下暂时的“突触标记”以备晚时相长时程增强之用。虽然这些“突触标记”的具体分子候选物仍不清楚，但推测多种蛋白质的参与导致了被刺激突触的“被标记”状态。例如，标记被认为是单个或少数分子，如支架蛋白肌动蛋白，激酶的持续或动态活性，或各种其易位由突触活动驱动的黏附分子。或者，修订后的突触标记与捕获假说认为，标记实际上是突触的一种暂时性结构状态，涉及钙内流和高水平的可塑性相关蛋白质。
记忆形成和巩固后，各种可塑性相关蛋白质在树突内由RNA颗粒合成，这些颗粒响应蛋白质合成依赖的晚时相长时程增强而被靶向。多种蛋白质，如α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体亚基GluR1、Homer1a、蛋白激酶Mζ和活动调节的细胞骨架相关蛋白，已被认为是与学习相关的可塑性相关蛋白质。先前由早时相长时程增强产生的“被标记”突触，在响应强突触激活时，容易“捕获”可塑性相关蛋白质，从而导致早时相长时程增强向晚时相长时程增强的转换。
此外，突触增强后，可塑性相关蛋白质的合成在树突内得到空间性加强。这些蛋白质停留在树突中，并可被邻近的突触获取。除了可塑性相关蛋白质，先前研究也在树突中观察到了与突触可塑性相关的mRNA和众多分子级联反应。例如，参与突触结构可塑性的单体GTP酶，包括细胞分裂周期42、Ras和Ras同源基因家族成员A，会被突触增强显著激活。尽管Ras同源基因家族成员A和Ras会扩散到8微米内的邻近棘，但细胞分裂周期42通常位于被激活的树突棘。钙可渗透的α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体也被认为支撑了突触标记与捕获模型，因为其发育可被θ节律爆发刺激显著抑制。
因此，突触标记与捕获模型提出了局部分子资源（如可塑性相关蛋白质、mRNA和钙信号）优先被突触群摄取和扩散的机制。加上协调的突触前输入，这种为新突触形成提供的空间富集，被认为会导致突触集群化和树突“热点”的形成。相同树突分支内的突触集群对于随时间链接多个记忆至关重要。树突分支被认为是蛋白质合成依赖的长时程增强和长时记忆存储的整合单元，因为局部资源的扩散发生在树突分支内。此外，树突内的突触集群被认为是记忆痕迹和突触发生的热点。
4 结语
新突触的形成对于将新信息整合到现有网络中至关重要。在这篇综述中，我们讨论了当前关于学习和记忆如何诱导新突触形成和消失的研究发现。记忆形成时，结构可塑性以及突触的形成和消失发生在多个脑区，表明全脑范围的重连可能是学习的一个标志。记忆印迹分布在多个脑区，它们的转录组变化和长期的突触强化可能支持记忆的长期存储。
成年大脑中的活动依赖性突触发生，由细胞内信号级联、转录调控和空间导向线索之间复杂的相互作用所支配。脑源性神经营养因子和Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶–Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶I–βPAK相互作用交换因子等分子，通过肌动蛋白细胞骨架重塑和受体运输，将神经元活动转化为结构修饰。长时程增强作为一个典型模型，展示了局部钙内流和Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II激活如何启动棘增大，随后被如Arc这样的即刻早期基因所稳定。Arc将α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体内吞与薄而具有可塑性的棘的形成联系起来，对于维持网络平衡至关重要。这些发现共同凸显，成年期突触发生并非随机过程，而是一个受严密调控、空间组织有序的对神经活动的适应。
超越单个突触，诸如突触标记与捕获和树突集群等机制，通过实现可塑性相关蛋白质和信号分子的扩散及选择性摄取，来精细化突触形成。这种空间协调使得被增强的突触得以强化，同时保持整体回路效率。此外，睡眠在巩固经验依赖性可塑性中扮演关键角色；非快速眼动睡眠和快速眼动睡眠阶段的树突棘形成和修剪，通过塑造突触结构来支持长时记忆。这些汇聚的机制共同确保了只有与行为相关的突触连接在成年大脑中被强化和稳定。
本综述侧重于恐惧记忆和运动记忆这两种行为范式，它们为在活体中检查学习依赖的突触重塑提供了稳健且特征明确的模型。我们的讨论主要集中于兴奋性突触，因为目前关于学习相关突触形成和消除的大部分结构和功能证据都来自兴奋性回路。然而，需要指出的是，抑制性突触和胶质细胞与印迹的相互作用也会发生动态变化，从而影响记忆处理。虽然这些方面超出了本综述的范围，但它们是未来朝着更全面理解记忆相关回路可塑性的关键方向。
总之，我们的综述总结了关于记忆形成与突触动力学之间关系以及潜在机制的最新发现。通过活体双光子成像观察表明，新形成的突触可以诱导突触集群的形成。由于集群与树突整合高度相关，这可能导致由生成的突触实现高效记忆存储。此外，远程记忆印迹之间的突触发生可能暗示了其在抽象表征中的作用。基于这些发现，我们提出可能性：在神经回路的记忆处理中，特定突触连接的加入可能扮演着与现有突触不同的独特角色。
