Neuron：睡一觉，为什么记得更牢？徐敏/彭婉玲团队揭示海马Chrm2+神经元调控记忆巩固的新机制

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Neuron：新发现！徐敏/张思宇团队揭示非快速眼动睡眠中记忆巩固的关键时间窗口

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海马GABA能中间神经元在局部神经网络及尖波涟漪的调控中发挥重要作用，并与睡眠依赖性记忆巩固密切相关。研究团队首先系统分析了基于传统分子标记鉴定的多类已知海马中间神经元在睡眠—觉醒周期中的活动特征，发现这些神经元主要在清醒和快速眼动（REM）睡眠期间活跃，而非在NREM睡眠期间选择性活跃。这提示它们主要参与清醒及REM相关的海马功能，而非特异性调控NREM期间的记忆巩固。那么，是否存在特异性调控NREM睡眠期记忆巩固的中间神经元？

研究团队接下来从睡眠—觉醒周期中乙酰胆碱的动态变化入手，提出了一种新的细胞筛选策略。由于乙酰胆碱水平在清醒和REM睡眠期间较高，而在NREM睡眠期间较低，研究团队推测，海马中可能存在一类表达抑制性乙酰胆碱受体的中间神经元，其活动受到乙酰胆碱的状态依赖性调控——在清醒和REM睡眠期间，较强的乙酰胆碱信号抑制其活动；而在NREM睡眠期间，随着乙酰胆碱水平下降，这种抑制减弱，神经元活动随之增强。结合公开的海马单细胞转录组数据，研究团队最终将目光聚焦于表达M2型乙酰胆碱受体的Chrm2+神经元。

进一步通过光纤记录实验发现，分布于海马不同亚区的Chrm2+神经元均表现出NREM睡眠期间选择性活跃、安静清醒期间也具有较高活动水平的特征，明显区别于此前分析的其他已知海马中间神经元群体（图1）。不同亚区的Chrm2+神经元活动具有高度同步性，并在NREM睡眠期间呈现约0.015 Hz的超慢振荡。此外，Chrm2+神经元的活动与乙酰胆碱（ACh）水平呈显著负相关，表现出相反的动态变化趋势。

图1. Chrm2+神经元主要在NREM睡眠和安静清醒期间活跃

鉴定出在NREM睡眠特异活跃的Chrm2+神经元后，研究团队进一步探究了其在记忆巩固中的功能。

研究团队首先通过化学遗传学方法抑制背侧CA3区域Chrm2+神经元的活动，发现学习后抑制这些神经元会显著损害小鼠的空间记忆巩固。随后，研究团队利用光遗传学技术，在学习后的不同睡眠—觉醒阶段选择性抑制Chrm2+神经元。结果发现，仅在NREM睡眠期间抑制这些神经元即可导致空间记忆巩固受损，而在清醒和REM睡眠期间进行抑制则未观察到显著影响（图2）。

研究团队进一步发现，腹侧海马Chrm2+神经元同样参与睡眠依赖性记忆巩固，抑制其活动会显著损害小鼠的社交记忆（图2）。这些结果表明，Chrm2+神经元参与不同类型的睡眠依赖性记忆巩固，且其功能具有海马亚区特异性。

图2. Chrm2+神经元调控睡眠依赖的记忆巩固

为探究Chrm2+神经元与尖波涟漪之间的关系，研究团队同步记录了背侧CA3 Chrm2+神经元的钙信号和背侧CA1区域的局部场电位。结果发现，Chrm2+神经元的活动与海马尖波涟漪高度相关，其钙信号与ripple频段功率呈显著正相关。进一步的单次ripple事件触发分析显示，Chrm2+神经元的钙信号在ripple事件发生后立即升高。

进一步的光遗传学和化学遗传学实验表明，Chrm2+神经元能够双向调控海马尖波涟漪。在NREM睡眠期间，激活背侧CA3 Chrm2+神经元能够增加ripple的发生率和功率，而抑制这些神经元则显著降低ripple发生率，并削弱ripple功率。（图3）。

这些结果表明，Chrm2+神经元不仅与海马尖波涟漪活动紧密耦合，也是调控其发生的重要神经环路组成部分。

图3. Chrm2+神经元调控海马尖波涟漪活动

为进一步解析Chrm2+神经元调控海马网络活动的神经环路基础，研究团队结合病毒示踪与电生理技术，系统分析了背侧CA3区域Chrm2+神经元的输入和输出连接。

逆行病毒示踪结果显示，Chrm2+神经元接受来自海马CA3和CA2区域的广泛输入，且这些输入主要来源于兴奋性神经元，提示Chrm2+神经元能够整合海马网络中的神经活动信息。此外，内侧隔区（medial septum，MS）是Chrm2+神经元主要的海马外输入来源，包括胆碱能、GABA能和谷氨酸能神经元（图4）。

图4. 背侧CA3的Chrm2+神经元输入图谱

另一方面，神经元形态重建和顺行跨突触病毒示踪发现，Chrm2+神经元的轴突及下游靶细胞广泛分布于海马多个细胞层，并且优先支配GABA能中间神经元，其中包括与尖波涟漪调控密切相关的PV+中间神经元。脑片电生理实验进一步证实，Chrm2+神经元能够对局部海马神经元产生强烈的抑制性作用（图5）。

这些结果表明，Chrm2+神经元能够整合广泛的海马局部输入，并通过抑制性输出向海马网络提供反馈调控。这种局部环路组织为Chrm2+神经元调控海马网络同步及尖波涟漪提供了重要的结构和功能基础。

图5. Chrm2+神经元抑制海马局部神经网络活动

综上，本研究鉴定了一类在慢波睡眠期间特异性活跃的海马中间神经元，揭示了乙酰胆碱信号对其活动的调控，以及这类神经元在海马尖波涟漪调节和睡眠依赖性记忆巩固中的作用。该研究将神经元的分子特征、睡眠状态相关活动、海马网络动态与记忆行为联系起来，为理解神经调质如何通过调控局部神经环路影响睡眠依赖性记忆巩固提供了新的细胞与环路机制。此外，本研究建立的遗传学研究工具也为进一步探索睡眠调控记忆的神经机制，以及睡眠异常与记忆功能障碍之间的关系提供了研究基础。

图6. Chrm2+神经元介导睡眠期记忆巩固神经环路机制

本研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心徐敏研究员和上海交通大学医学院松江研究院彭婉玲研究员共同指导，博士研究生封意丽为论文第一作者。研究获得国家自然科学基金委员会“杰出青年基金”和中国科学院“稳定支持基础研究领域青年团队项目”等项目资助。