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鼠年说鼠 丨人类记忆机制研究中的功臣

脑人言 脑人言 2022-06-09
收录于合集 #鼠年说鼠 5个

撰文丨温歌华（中国医科大学 法医学院博士生） 

责编丨Isabella
排版丨夏獭


我的小鼠怎么了？——转基因动物行为学表型（介绍有关动物行为学实验相关知识）


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鼠类作为神经科学研究的重要对象，为人类探索各种疾病发病机制提供了巨大帮助。在实验中主要用到的是大鼠（rat）和小鼠（mouse）。因为它们的全部基因序列与人类相似度极高，尤其是大鼠[1]，很多疾病研究都是建立在以老鼠作为模式动物的基础上，用它们模拟人类疾病的各种特征，从而进一步理解发病机制。另外，经过长时间建系繁殖，实验用鼠个体间差异很小。此外，小鼠繁殖周期短而繁殖量大，可以较为经济地满足实验在统计学数量上的要求。因此，鼠类可谓是生物学研究必不可少的模型动物。

小鼠模型与记忆行为测试
动物行为测试是神经生物学领域常用的研究手段，在研究神经相关功能、环路及探究疾病发病机制和药物效果评估中发挥着重要作用。

虽然老鼠是天生的游泳健将，但是它们却厌恶处于水中的状态，同时游泳对于老鼠来说是十分消耗体力的活动，它们会本能的寻找水中的休息场所。科学家根据小鼠这一习性，发明了Morris水迷宫实验。Morris水迷宫是一个研究小鼠记忆能力的测试，在1981年首先由Morris[2]发明，用来检测小鼠学习记忆功能，被广泛沿用至今。其具有无需限制食物和水就能完成的优点。


Morris水迷宫实验由圆形水池（水池直径为120厘米）、平台（直径6厘米，高度30厘米）以摄像系统及行为学分析系统组成 （图1）。实验分为三个阶段进行。第一阶段：适应性训练。实验前一天将小鼠放入无平台的圆形水池中，自由游泳10分钟，使小鼠适应游泳。同时剔除不会游泳的小鼠。第二阶段：定位航行实验。在水下1cm处任一位置放置平台（小鼠不可见）。将小鼠头朝水池壁放入水中，放入位置随机取东南西北4个位置，记录动物找到水下平台的时间。连续5天，每天4次，让小鼠寻找并爬上水下隐形平台，在平台停留时间大于3秒视为成功。这一阶段的目的是为了让小鼠拥有对于平台位置的空间记忆。第三阶段：空间探索实验。实验第7天，撤掉平台，将小鼠从水池壁任一位置放入无平台水中，自由游泳，记录小鼠在目标区域（也就是原来平台放置的地方）的停留时间。同时记录小鼠的游泳速度及游泳距离。    图1. 水迷宫实验模式图

Morris水迷宫实验是目前世界公认的较为客观的检测学习记忆功能的行为学范式，在小鼠外伤性脑损伤、药物作用导致认知功能障检测中十分常见。但是由于老鼠天生并不喜欢游泳，人们对这一实验褒贬不一，而且饱受动物保护者的争议。

此外，还有不同行为学方法可以评估实验动物的不同类型记忆，如Barnes迷宫（图2所示），该迷宫由一个圆形平台构成，在平台周边，布满了很多可以穿透平台的小洞，一般为10到30 个。其中一个洞的底部放置了一个盒子，作为实验动物的躲避场所；而其它洞的底部是空的，实验动物无法进入。该迷宫一般采用强光、噪声、风吹等刺激作为实验动物进入躲避洞口的动机。实验时把实验鼠放置在高台中央，给予相应的刺激，记录它找到正确洞口的时间以及进入错误洞口的次数，由此来反映动物的空间参考记忆。
           
图2. Barnes迷宫实验模式图

“掌管”记忆的重要脑区——海马体

小鼠在学习记忆过程中，如进行Morris水迷宫和Barnes水迷宫等行为学测试时，它们海马体（hippocampus）中的细胞活跃了起来。
图3. 啮齿类动物的海马体在脑中的位置[3]

海马体作为大脑边缘系统（limbic system）的重要结构，是负责学习与记忆功能[4]的重要脑区（图3）。如图4A、B所示，海马体分为CA1、CA2、CA3和齿状回（dentate gyrus, DG）等区域，其中CA1、CA2、CA3区域主要为锥体细胞，能接收来自苔藓纤维（Mossy fibre）传入的信息，DG区主要为颗粒细胞，主要接收穿通纤维的传入信息，并发出苔藓纤维至CA3区。视觉信息进入海马时从齿状回进入CA3区域再经过CA1到脑下托。人们普遍认为海马不同区域在信息处理过程中都各自具有独特的功能。有研究发现，CA1区主要编码时间和空间相关的记忆，CA3区主要编码空间有关记忆，CA2区主要编码时间有关的记忆[5]。



图4. 小鼠海马体神经回路[6]A. 海马体内三大谷氨酸（兴奋性）路径示意图，SC= Schaffer collateral pathway，MF = Mossy fibre，PF = Perforant path fibre.B. 小鼠海马体脑切片

我们经历的事物以及它们发生的位置的信息通常在大脑皮层中分别处理。因此，视觉、触摸、听觉等感觉途径最初会处理有关感知对象的信息，然后会聚到大脑皮质与之相关联的区域。我们将这些路径称为“记住”的信息流。而海马体旁的皮层和内侧区域参与处理发生难忘事件的空间环境。“什么”和“何处”信息流在海马体的位置汇聚。海马体对于这种在事件发生的背景条件下形成的单个事件的内聚记忆至关重要。

小鼠模型与记忆的神经机制

记忆其实是神经细胞之间的连接形态[7]。海马体在记忆的过程当中，充当转换站的角色，大脑皮质中的神经元接收到各种信息时，它们会把信息传递给海马体。海马体神经元的突触可塑性（synaptic plasticity）对于维持功能具有重要作用。在神经科学中，突触可塑性是指神经元之间的连接 （即突触）其的连接强度有可调节的特性（图5）。当在记忆等活动过程中，突触的形态和功能可发生较为持久的改变，会随着自身活动的加强与减弱相应得到加强与减弱。这种特性或现象被称作“突触可塑性”。



图5. 小鼠海马体突触可塑性示意图。Glutamate:谷氨酸，AMPAR：α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体，NMDAR：N-甲基-D-天冬氨酸受体[8]

神经元突触的功能对于细胞间信息传递以及记忆功能发挥了重要作用。在正常情况下，突触前神经元释放的神经递质会激活处于突触后神经元上的受体，从而引发突触后神经元内部的一系列反应。如图5 所示，NMDA受体与AMPA受体是比较重要的兴奋受体，当被谷氨酸激活的时候，受体所处的神经元会产生并释放更多的神经递质。释放的神经递质越多，突触后神经元越被激活，我们就称该突触的效能被增强了。在学习活动中，由于神经元都处于活跃状态，突触增强的现象经常发生。当回忆的时候，这些连接着增强了的突触的神经元更有可能产生动作电位（action potential），而且是一丛一丛的产生。正如赫布理论（Hebbian Theory）所说：“一起激发的神经元连在一起（Neurons that fire together wire together）”因此，神经元突触效能的增强是在细胞层面解释记忆功能的重要机理。当各种因素导致小鼠海马神经元突触功能受损，以至于神经递质不能正常结合受体，或者释放不了足够的神经递质，再或者受体数量减少，就会导致小鼠出现学习记忆障碍。


随着人类研究的进一步深入，我们已经发现了很多疾病的致病基因及发病机制，但是很多复杂的疾病还有待于人类进一步探索和求证，需要尽快找到可用于药物研发的目标。在探索未知寻找治疗方案的过程中，小鼠做出了杰出的贡献。在此向所有实验小鼠致敬，感谢它们为人类的付出！

END

参考文献
[1] Yang, S., et al., Patterns of insertions and their covariation with substitutions in the rat, mouse, and human genomes. Genome Research, 2014. 14(4): 517-527.
[2] Kolarik, B.S., et al., Impairments in precision, rather than spatial strategy, characterize performance on the virtual Morris Water Maze: A case study. Neuropsychologia, 2016. 80: 90-101.
[3] Homologous regions of the hippocampus in the human and rat brains
[4] Voss, J.L., et al., A Closer Look at the Hippocampus and Memory. Trends in Cognitive Sciences, 2017. 21(8): 577-588.
[5] Mankin E A, Diehl G W, Sparks F T, et al. Hippocampal CA2 activity patterns change over time to a larger extent than between spatial contexts. Neuron, 2015. 85(1): 190-201.
[6] Kadakkuzha, B.M., et al., Transcriptome analyses of adult mouse brain reveal enrichment of lncRNAs in specific brain regions and neuronal populations. Frontiers in Cellular Neuroscience, 2015. 9.
[7] Tronson, N.C. and A.A. Keiser, A Dynamic Memory Systems Framework for Sex Differences in Fear Memory. Trends in Neurosciences, 2019. 42(10): 680-692.
[8] Rathour R K, Narayanan R. Degeneracy in hippocampal physiology and plasticity. Hippocampus, 2019, 29(10): 980-1022.



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