清華大學魯白等合作最新Nature子刊

　　乙酰膽堿通過廣泛的膽堿能神經支配調節多種認知功能。然而，特定的膽堿能亞群、回路和識別記憶的分子機制在很大程度上仍然未知。

　　2024年8月26日，清華大學魯白及首都醫科大學Yang Feng共同通訊在Nature Communications 在線發表題為“Ngfr+ cholinergic projection from SI/nBM to mPFC selectively regulates temporal order recognition memory”的研究論文，該研究表明，Meynert (nBM)-內側前額葉皮層(mPFC)回路的無名質(SI)/基底核中的Ngfr+膽堿能神經元選擇性地支持近期判斷。

　　神經生長因子受體(Ngfr-/-)的缺失降低了SI/nBM-mPFC回路中膽堿能神經元的興奮性，但沒有降低內側隔(MS)-海馬通路中的膽堿能神經元的興奮性，并損害了時間順序記憶，但沒有損害新物體和物體位置識別。Ngfr在Ngfr-/-SI/nBM中的表達恢復了缺失的時間順序記憶。纖維光度法顯示，乙酰膽堿在mPFC中的釋放不僅可以預測物體的接觸，還可以介導物體的近距判斷，而這種乙酰膽堿釋放在Ngfr-/-mPFC中不存在。在ChAT-Cre小鼠中，SI/nBM投射到mPFC的化學發生和光遺傳抑制減少了mPFC乙酰膽堿的釋放，并惡化了時間順序識別。由于KCC2介導的氯離子梯度紊亂，膽堿能活性受損導致GABA能輸入到mPFC錐體神經元的去極化移位。最后，乙酰膽堿信號的增強上調了KCC2水平，恢復了GABA能驅動力，并挽救了Ngfr-/-小鼠的時間順序識別缺陷。因此，依賴于Ngfr的SI/nBM-mPFC膽堿能回路是時間順序識別記憶的基礎。

　　識別記憶指的是區分熟悉和新奇事物的能力。它涉及對客體、地點的先驗經驗的判斷，以及它們的時間順序關系。在實驗中，研究人員利用大鼠識別記憶任務的四種亞型來研究其潛在機制：新物體偏好、時間順序、物體定位和物體就位。病變研究表明，周圍皮層(PRH)在所有四種識別記憶亞型中都起著關鍵作用，而海馬(HP)和內側前額葉皮層(mPFC)更多地參與識別的空間和時間方面，而不是物體識別本身。此外，干擾乙酰膽堿(ACh)釋放的膽堿能投射到這些關鍵的大腦結構也擾亂了識別記憶。膽堿能投射神經元主要分布于基底前腦，基底前腦損傷顯著損害識別記憶。然而，特定的膽堿能回路，即BF核投射到皮層或皮層下結構的膽堿能神經元，是識別記憶的哪些亞型和哪些方面的基礎，在很大程度上仍然未知。更重要的是，乙酰膽堿信號如何幫助神經元控制物體識別的空間和時間方面尚不清楚。利用新開發的乙酰膽堿傳感器，能夠在記憶任務中以高靈敏度和時空分辨率檢測乙酰膽堿釋放，并結合化學發生和光遺傳學技術來操縱膽堿能神經元的活動，可能會揭示乙酰膽堿動力學與識別記憶相關的精確行為結果之間的復雜關系。

　　除BF外，膽堿能神經元還分布在腦干、丘腦、紋狀體和皮層等多個腦區，并調節睡眠、注意力、情緒和記憶等多種生理功能。現代神經科學的一項重要任務是確定膽堿能神經元的功能異質性及其在每個解剖邊界內的分子特征。在發育過程中，在不同的轉錄控制下，尾側的膽堿能神經元是早生的(SI/nBM)，而尾側的膽堿能神經元是晚生的(MS/DB)。BF膽堿能投射神經元的輸出和功能也被指定，具體來說，MS、VP和DB膽堿能神經元形成功能簇，主要投射到海馬體、副海馬體、嗅球和中線皮層結構。相比之下，SI和nBM亞群主要支配新皮層和杏仁核。雖然BF膽堿能亞群表現出廣泛的異質性，但不同膽堿能亞群的功能意義仍然難以捉摸。

從SI/nBM到mPFC的Ngfr+膽堿能投射選擇性地調節時間順序識別記憶（圖源自Nature Communications ）

　　BF膽堿能神經元的分化是由來自投射靶的神經營養因子支持的。因此，膽堿能神經元表達用于信號轉導的神經營養受體，包括NGFR(也稱為p75NTR)、TRKA、TRKB和TRKC。其中，NGFR在大腦發育過程中表現出顯著的表達模式變化。在胚胎階段，NGFR在許多類型的神經元中表達，但其表達在出生后急劇下降。細胞培養實驗表明，腦源性神經營養因子(BDNF)的前體proBDNF激活NGFR可導致軸突塌陷、樹突萎縮和脊柱萎縮。神經系統的正常發育似乎需要proBDNF-NGFR和成熟的BDNF-TrkB信號之間的平衡。在成人大腦中，NGFR在BF膽堿能神經元中穩定且幾乎完全表達。NGFR是否調節BF膽堿能神經元的存活和功能尚不清楚。不同Ngfr基因敲除小鼠的BF膽堿能神經元數量均有增加和減少。NGFR對細胞死亡的明顯影響似乎與其在成人腦BF膽堿能神經元中的選擇性高表達不一致，這表明NGFR的主要功能可能不是這些神經元的存活。

　　識別記憶的綜合膽堿能調節的分子和回路機制是什么?研究闡明了Ngfr+膽堿能投射神經元的功能特異性，并研究了它們對三種類型識別的選擇性調節。利用單細胞RNA測序數據，表征了不同解剖邊界的膽堿能亞群的分子特征。化學遺傳學和光遺傳學操作膽堿能電路來確定膽堿能神經支配的差異效應在近期判斷。為了解乙酰膽堿信號是如何在時間順序上幫助區分物體的，研究用先進的高靈敏度乙酰膽堿傳感器監測了乙酰膽堿的動態，并結合了識別過程中的詳細行為變化。此外，進行了一系列電生理記錄，以揭示膽堿能活性在形成GABA能傳輸極性中的作用，GABA能傳輸極性介導近期判斷。綜上所述，研究結果表明Ngfr+ SI/nBM-mPFC電路選擇性地調節識別記憶中的近因判斷。