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恐懼和恐懼記憶的消除對于生物體在不斷變化的環(huán)境中生存至關重要，這些記憶被認為是由大腦中單獨的神經(jīng)元群編碼的，但目前它們在大腦中的位置仍然難以確定。
島葉皮層（IC）對于處理厭惡和感知刺激以及協(xié)調適當?shù)男袨榉磻陵P重要，被認為是恐懼和恐懼記憶消退的關鍵腦區(qū)。最近的一項研究表明，IC作為恐懼的關鍵狀態(tài)依賴調節(jié)因子，調控了恐懼和恐懼記憶消退之間的平衡。然而，特定IC投射神經(jīng)元是否存在以及如何參與恐懼和恐懼記憶仍然未知。
在此背景下， 2022年9月21日，上海交通大學徐天樂、張思宇與復旦大學李偉廣課題組在Nature Communications發(fā)文揭示了島葉皮層中負責恐懼記憶存儲和恐懼記憶消退的兩種神經(jīng)元及其相互作用機制。
首先，課題組將小鼠分為僅聲音刺激組(conditioned stimulus, CS)和同時進行聲音刺激和足部電擊組（CS+US-unconditioned stimulus），并以mCherry+和c-fos+信號分別捕捉IC腦區(qū)恐懼和恐懼消退激活的神經(jīng)元。行為學結果顯示：CS+US組小鼠聽到警報聲后的僵直時間顯著增加；免疫染色結果顯示其mCherry+和c-fos+信號顯著增加。隨后，課題組CS+US組小鼠進行額外一天的恐懼恢復訓練，發(fā)現(xiàn)其c-fos+信號顯著減少。進一步的免疫染色結果顯示：恐懼記憶神經(jīng)元投射至中央杏仁核（CeA），而記憶消退神經(jīng)元則主要投射至伏隔核（NAc）。
圖1|恐懼記憶和記憶消退神經(jīng)元的不同投射
為了進一步探究上述兩種環(huán)路的功能，課題組監(jiān)測了小鼠在訓練期間腦部的鈣活動情況，并發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)IC-CeA投射神經(jīng)元在被足部點擊時鈣信號顯著上調，表明其參與存儲和表達恐懼記憶；而IC-NAc投射神經(jīng)元在恐懼記憶消退訓練中鈣信號水平顯著升高，表明其存儲和表達消退記憶。此外，化學抑制CeA和NAc投射神經(jīng)元分別造成小鼠僵直時間的減少和增加；而光激活CeA和NAc投射神經(jīng)元則結果相反。
圖2|光遺傳激活CeA和NAc投射神經(jīng)元對小鼠僵直時間影響不同
為了充分了解恐懼和恐懼記憶消退如何特異性地在IC中產(chǎn)生不同的投射，課題組研究了IC CeA和NAc投射神經(jīng)元的內在電生理特性，以及它們潛在的相互作用。課題組選用IC投射神經(jīng)元含量最高的第5層腦區(qū)。電生理結果顯示：IC-CeA神經(jīng)元比IC-NAc神經(jīng)元具有更低閾電位和更高的內在興奮性，即IC-CeA神經(jīng)元興奮性更高。此外，光遺傳激活IC-CeA神經(jīng)元誘導了IC-NAc神經(jīng)元的興奮性和抑制性突觸后電流（oEPSC和oIPSC），同時光遺傳激活IC-CeA神經(jīng)元使得恐懼訓練期間IC-NAc神經(jīng)元PPR和IPSC-EPSC 比值增加。同樣，光激活IC-NAc神經(jīng)元也將誘導IC-CeA神經(jīng)元在恐懼訓練期間PPR和IPSC-EPSC 比值增加。這些結果表明IC-CeA和IC-NAc投射神經(jīng)元之間還存在記憶行為依賴的交互抑制，維持局部環(huán)路中的興奮-抑制平衡。
圖3|光激活IC-CeA神經(jīng)元使得恐懼訓練期間IC-NAc神經(jīng)元PPR和IPSC-EPSC 比值增加
最后，課題組以逆向跨單突觸示蹤技術在全腦范圍內追蹤了兩群IC投射神經(jīng)元集群的上一級神經(jīng)元，并通過光遺傳技術發(fā)現(xiàn)負責高級認知功能的額葉皮層如眶額皮層（OFC）向負責恐懼記憶消退的IC-NAc神經(jīng)元的突觸傳入更強，光激活OFC→IC神經(jīng)投射或OFC→IC→NAc神經(jīng)環(huán)路可促進消退恐懼記憶，減少小鼠在訓練期間的僵直時間。該研究表明，OFC對IC特定記憶神經(jīng)元進行自上而下的偏向性控制，從而選擇性地驅動特定記憶的表達。
圖4|光激活OFC→IC→NAc神經(jīng)環(huán)路減少了小鼠在訓練期間的僵直時間
總的來說，本文通過對小鼠進行恐懼和恐懼消退訓練發(fā)現(xiàn)兩個不同的投射神經(jīng)元亞群在島葉皮質（IC）內的定位——中央杏仁核（CeA）和伏隔核（NAc），并發(fā)現(xiàn)兩者分別編碼恐懼和恐懼記憶消退，且兩者具有互助性，并通過逆行示蹤發(fā)現(xiàn)IC-NAc投射神經(jīng)元優(yōu)先受到來自眶額葉皮層（OFC）的皮層間輸入的支配以調控恐懼記憶的消退。
