記憶形成は、シナプス強度のシナプス特異的修飾と興奮性の細胞特異的増加の両方に依存します

連絡先：オードリー・フーaudrey.hu@wecistanche.com

概要

The modification of synaptic strength produced by long-term potentiation (LTP) is widely thought to underlie memory storage. Indeed, given that hippocampal pyramidal neurons have>10、000独立して変更可能なシナプス、シナプス変更による情報ストレージの可能性は計り知れません。 ただし、最近の研究は、ニューロンの興奮性におけるCREBを介したグローバルな変化も記憶形成に重要な役割を果たしていることを示唆しています。 これらのグローバルな変化は、シナプス可塑性に比べて情報ストレージの容量が適度であるため、記憶機能に対するそれらの重要性は不明でした。 ここでは、興奮性のCREB依存制御の新たに出現した証拠を確認し、2つの可能なメカニズムについて説明します。 まず、ニューロンの興奮性におけるCREB依存の一時的な変化は、メモリ割り当て機能を実行し、時間的近接性（時間）を持つイベントの効果的なリンクを容易にする方法でメモリが保存されるようにします。 第二に、これらの変化は、記憶統合段階での細胞集合体の形成を促進する可能性があります。 そのようなグローバルな興奮性の変化とローカルなシナプスメカニズムが補完的であるかどうかは不明でした。 ここでは、2つのメカニズムが連携して有用な記憶機能を促進できると主張します。

学習と記憶の根底にある分子、細胞、ネットワークのメカニズムの解明は、現代の神経科学の主要な目標でした。 重要な初期の貢献で、ドナルド・ヘッブは、記憶を構成する関連がシナプスの強さの活動に依存した変化によって保存されることを提案しました！。 その後の多くの研究は、シナプスが実際にヘッブによって想定されているように活動依存性の強化を受け、LTP（および補完的な長期抑制（LTD）プロセス）を介してそれを行うことを示しています3。 CAI海馬シナプスで見られる標準的なLTPの形態では、LTP誘導は、特定の種類のグルタミン酸受容体であるNMDARと、豊富なシナプスタンパク質であるカルシウム/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼII（CaMKII）3によって開始および維持される生化学的カスケードに依存します。 。 重要なことに、NMDARまたはCaMKIIの機能を妨げる遺伝子組み換えは、LTPをブロックするだけでなく、学習と記憶の保存に深刻な欠陥をもたらします。 逆に、記憶を強化するほとんどすべての突然変異は、LTPも強化します。 他の研究では、学習中に誘発されたLTP7は、LTD / LTPのような刺激によって双方向に変更され、それによって記憶誘導行動の減少と再出現の両方につながることが示されています8。 海馬錐体ニューロンには10個以上の000シナプスがあり、各シナプスはLTPによって独立して変更できるため（つまり、LTPはシナプス固有です）、単一のニューロンでも優れた情報ストレージ容量を備えています。 さらに、計算分析は、LTPによるシナプス強度の変更が神経ネットワークで分散メモリストレージを生成するのに十分であることを示しています10。これらの発見を総合すると、LTPがメモリストレージを仲介するという広範な見解につながりました。

しかし、記憶機能に必要なニューロンの変化のタイプはシナプス固有の変化だけではないという証拠が蓄積されています。 特に、グローバルなニューロン特性の変更は、学習と記憶においても重要な役割を果たします。 このような変化の証拠は、短期間の行動感作の根底にあるシナプス前促進2を研究するために使用される無脊椎動物の準備で最初に得られました。 この促進には、Kとコンダクタンスの減少によって引き起こされるシナプス前興奮性の増加が含まれますl3。 他の研究は、HermissendalのコンディショニングがK*コンダクタンスを減少させることによってニューロンの興奮性を増加させることを示しました。 その後、興奮性の学習関連の変化の調査は脊椎動物5に拡張され、現在、複数の証拠によってサポートされています16-19。 この視点では、その証拠と、このプロセスにおける転写因子CREB（cAMP応答性エレメント結合タンパク質）の重要な役割について説明します。 次に、多数のシナプスを変更することで大量の情報を保存できる脊椎動物のニューロンが、転写調節を介してグローバルな細胞特性も変更する理由について説明します。 シナプスと転写の変更がどのように記憶形成の全体的なプロセスに必要な異なる貢献をするかについての2つのアイデアについて説明します。

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記憶における転写因子CREBの役割

無脊椎動物の初期の研究は、記憶における転写調節の重要性を指摘しました20。 これは、LTP誘導²'と学習2の後、脊椎動物の海馬で何時間も持続するリン酸化依存性の活性化を受けるため、CREBへの関心につながりました。 記憶のためのCREBの重要性は、CREB機能の双方向操作によって実証されました2324。 研究者は、CREB（具体的にはa / 6アイソフォーム）のノックダウン、アンチセンスオリゴデオキシヌクレオチドを介したCREB破壊、RNA干渉、標的遺伝子変異など、さまざまな方法を使用してCREBを負に調節しています2325-27。 これらの操作は常に記憶障害につながります。 逆に、アクティブなCREBのレベルの増加は、記憶力の強化につながります2²8,29。

CREB機能の理解における第2の進歩の波は、メモリストレージを仲介するセル（メモリトレースセル）の直接的な視覚化と操作を可能にする新しく開発されたツールから生じました。 結果として得られる方法の1つは、記憶形成中に発生するような強力な活性を受ける細胞が、初期遺伝子（IEG、たとえばcFosやarc）と呼ばれる高レベルの調節タンパク質を合成するという事実を利用しています。 これらのタンパク質は、学習中に活性化された細胞で発現することが長い間知られており、それらの発現を使用して記憶痕跡細胞を特定できます30。実験では、細胞のサブセットでCREBのレベルを上げると、これらの細胞が記憶の痕跡、CREBのレベルを下げると逆の効果がありました31,32。訓練された動物では、CREBを過剰発現する細胞は隣接する細胞よりも高いIEG発現を示します。 重要なのは、CREBに依存したIEG発現の増加は、訓練を受けていないマウスでは起こらないということです。 これらの結果は、相対的なCREBレベルが、メモリ割り当てと呼ばれる現象をメモリトレースに組み込むニューロンに影響を与える可能性があることを示しています。 その後の研究では、βの阻害により、CREBを過剰発現する細胞が記憶の想起に悪影響を与えることが示されました3133-35。これらの細胞は記憶を回復する必要があります。

CREBが細胞の興奮性を調節するという証拠

CREBはどのようなメカニズムでメモリ割り当てを制御できますか？ LTPはシナプス後ニューロンの脱分極のレベルに依存するため、CREBはニューロンの興奮性を高め、それによってニューロンの記憶トレースへの取り込みを増加させることによって機能する可能性があります。 この可能性は現在、いくつかの方法でテストされています。 一組の実験では、細胞内記録は、CREBを過剰発現した細胞から得られました。 図1に示すように、同じ大きさの電流パルスは、CREBを過剰発現しなかった近くのニューロンよりもCREB過剰発現細胞でより多くの活動電位を生成しました（参考文献32,43637も参照してください。 -一連の活動電位後の過分極（AHP）このようなAHPはKtチャネルによって生成される38ため、CREB発現細胞の興奮性の向上は、少なくとも部分的にはKtコンダクタンスの低下によるものと思われます。翻訳の変更に依存します39が、CREBを含まないため、これらはこのレビューの範囲外です。

別のタイプの実験を使用して、細胞の興奮性の操作が記憶トレースへの細胞の取り込みに影響を与えるのに十分であるかどうかを直接テストしました。 これらの研究では、ウイルスベクターを使用して、Kプラスチャネル機能の低下を通じて（すなわち、AHPに関与する2つのKtチャネルのドミナントネガティブフォームであるKCNQ2およびKCNQ32の発現を通じて）興奮性を高めました。 変異チャネルを発現する細胞は、隣接する非感染ニューロンのレベルと比較してIEGタンパク質アークのレベルが増加することによって示されるように、実際に優先的に記憶トレースに割り当てられました。関連する実験では、細胞の興奮性は、内向きに整流するKir2.1の発現によって低下しました。 K'tチャネルKir2.1細胞の中で、細胞が活性化する確率は、タンパク質を発現しない細胞と比較して約5分の1に減少し、これにより、記憶トレースへの取り込みが減少しました。 さらなる実験は、行動レベルでの興奮性変化の重要性を示しました：ステップ関数オプシンが扁桃体ニューロンのサブセットの興奮性をトーンコンディショニングの直前に増加させるために使用されたとき、その後の行動実験は、これらのニューロンがトーンショックを保存するために割り当てられたことを示しましたSOCiation40として。

まとめると、これらの結果は、CREBの主な機能がニューロンの興奮性を高めることであり1,42、それによって記憶トレースへのニューロンの割り当てを調整することであることを示しています。 強い神経活動によるこの興奮性の強化は、恒常性である内因性およびシナプスコンダクタンスの変更とは対照的です。つまり、強い神経活動が興奮性の低下につながります45。 これは、CREBによる興奮性の強化がどのような機能を持っているのかという疑問を提起します。 ニューラルネットワークモデルでは、LTPによる伝達の増強は記憶機能を生み出すのに十分ですが、CREBに依存した興奮性の増強は何を追加しますか？ 1つの可能性は割り当てですが、割り当ての有用性は何ですか？ これらの質問については、次のセクションで説明します。

興奮性の細胞全体の増加の機能

以下では、最初に、実質的な実験的サポートがあるグローバルな興奮性における学習依存の変化の役割についての1つの仮説について説明します。 次に、2番目のより推測的な可能性を提案します。 これらの仮説は相互に排他的ではありません。

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リンクに割り当てる仮説

上記のように、活性化されたCREBの量の増加は興奮性を高め、それによってニューロンの割り当てを記憶トレースに偏らせます。 リンクへの割り当ての仮説44によれば、これらの変化は、互いに数時間以内に発生するイベントの記憶間のリンクを形成し、そのリンクには重要な機能があります。 上記のように、学習の最初の発作は、何時間も続く記憶をコードするニューロンのCREBの量の増加につながります。 結果として生じる興奮性の増加は、興奮性の増加の期間中に形成された新しい記憶をコード化するためにこれらのニューロンの多くを動員することにつながります。 最終的な結果として、時間的に近接してエンコードされた2つのメモリは、ニューロンの重なり合うアンサンブルによってエンコードされます。 したがって、2つの記憶はリンクされており、そのリンクは、数時間の間に発生する別々のイベントの想起の根底にある可能性があります（図2a）。

最近の研究では、重複する海馬ニューロンのアンサンブルが、時間の経過とともに探索されたコンテキストの記憶を実際にキャプチャすることが示されました4。 重複する細胞が2つのコンテキストをエンコードするかどうかを直接判断するために、著者は、マウスが異なるコンテキストを探索するときに、ヘッドマウントミニチュア蛍光顕微鏡を使用してマウス海馬CAlニューロン内のカルシウムトランジェントを監視しました。 異なる日（7日間隔）ではなく、同じ日（5時間間隔）内で2つのコンテキストを探索した場合、これらのコンテキストによってアクティブ化されたニューロン集団の間に大きな重複がありました（図2b）。 これは、重なり合うニューロン集団が時間的に近くに形成された記憶をエンコードするという考えを直接サポートします。 このニューロンの重複の結果は、これらの記憶が行動的にリンクされるようになることです。 文脈の1つが恐怖反応を誘発すると、マウスは、その文脈で嫌悪感を覚えたことは一度もないにもかかわらず、リンクされた文脈を恐れるようになることがわかりました（図2c）。

リンクへの割り当て仮説のさらなるサポートは、2つのメモリの共有ニューロンの特定の部分を操作することで得られました。 これらの研究は、共有扁桃体アンサンブルが時間的に（6時間以内に）取得される2つの聴覚恐怖記憶をエンコードし、これらの記憶がリンクされていることを最初に示しました。 研究者は、扁桃体に依存する2つのタスクの行動的相互作用に影響を与えたが、個々のタスクの検索には干渉しなかった、そのような共有ニューロン集団の特定の役割をサイレンシングすることによって実証しました47。

リンクへの割り当ての仮説は、興奮性のCREB依存の増加が、他の記憶の時間的に近いエンコーディング中に細胞が興奮する確率を高め、それによってシナプス接続を強化することによって記憶をリンクすると仮定しています。 前述のように、興奮性のCREB依存性の増加は非恒常性です。 したがって、この興奮性の増加がLTPを増強する可能性があり、増強された応答がその後のLTPをより可能性の高いものにし、潜在的に暴走増強につながる可能性があるという懸念があります。 ただし、シナプス強度は飽和可能であり4849、結果として生じるLTPの制限により、興奮の暴走の懸念がなくなる可能性があります。

アセンブリ統合仮説

Many cells may represent similar information (for example, a place in the environment). During learning, these cells will fire together, and connections among them will be strengthened, thereby forming a stable memory ensemble. We now know that this strengthening will fade unless synapses undergo additional changes after learning, in a process termed consolidation. These consolidation processes, which include stabilization of synapses that were potentiated during learning (synaptic consolidation)and transfer of information from the hippocampus to the cortex(systems consolidation), occur during periods of rest and sleep that follow the learning events. During these periods,100-ms-long events termed sharp-wave ripples(SWRs) take place in the hippocampus. Analysis of neural firing patterns during SWRs shows that they replay recent memory>0-2。 SWRの特定の混乱は強い記憶障害につながるため、このリプレイは安定した記憶の形成に不可欠です53-55。 SWRへのニューロンの関与は興奮性の増加によって強化される可能性が高いようです（参考文献3も参照）。 これは、CREBに依存した興奮性の増加の別の機能が、安定した記憶形成に必要な統合を強化することであることを示唆しています。

CREB活性化のメカニズムと選択性

CREBがメモリの割り当てと統合に重要な役割を果たしている場合、そのアクティブ化は、学習に関与しており、メモリアンサンブルに組み込む必要があるセルに大きく制限する必要があります。 活動電位は、以前に増強されたシナプスの活動から生じる可能性があるため、学習関連のイベントの信頼できる指標ではありません。

同様に、シナプスでのLTPイベントは、細胞が新しい集団の一部である必要があることを示す信頼できる指標ではありません。これは、LTPが体細胞ナトリウムスパイクなしで樹状細胞枝で発生する可能性があるためです57,58。 細胞を発火させ、したがってアンサンブルに組み込むことができるようにするには、複数の枝がシナプス可塑性を受ける必要がある場合があります。 したがって、樹状突起に学習イベントがあり、発火を引き起こすのに十分な強さの脱分極がある場合、CREBが優先的にアクティブ化されることが望ましい場合があります。 したがって、CREB依存性活性化につながる経路にはかなりの複雑さが存在することは注目に値します（図3）：カルモジュリンキナーゼカスケードは体細胞活動電位をCREB活性化に結合します59,60、樹状突起から体細胞へのERK拡散はシナプス可塑性を結合しますCREBの活性化61.1つの興味深い可能性は、これらの経路が、アンサンブルに組み込む必要のある細胞をマークするために必要な生化学的計算を実行することです。

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討論

学習と記憶の分野では、記憶がシナプス強度のシナプス固有の変化と神経機能の全体的な変化の両方に依存する理由と方法についての一貫した見方が欠けていました。 最近の技術の進歩により、メモリの基礎となる回路プロセスの前例のない視覚化と制御が可能になり、結果として得られた発見は、興奮性のグローバルな変化が発生し、メモリに重大な貢献をするという見解を支持しています。 これらの観察は、記憶機能をシナプス修飾のみに帰する標準モデルに挑戦します。従来の見方を超えた、記憶におけるグローバルな興奮性のCREB依存性変化の特定の役割に関する2つの仮説を提示します。 一方（allocate-to-link）は現在直接サポートされていますが、もう一方（アンサンブル統合モデル）は実験的観察に基づいて構築されていますが、まだ直接テストされていません。 これらのモデル間の概念の違いにもかかわらず、これらのモデルは、メモリのプロセス全体の広いビューを共有します。このビューには、エンコードおよび統合中のイベントが含まれるため、最終的なメモリストレージを直接担当するプロセスを超えています。 リンクへの割り当てモデルでは、興奮性のCREB依存の変更により、メモリシステムにまったく新しい機能が追加されます。つまり、時間枠内の1つのメモリが、同じ時間枠内の他のメモリと選択的に関連付ける機能です。 アセンブリ統合モデルで追加された機能は、統合の拡張です。これは、メモリトレースセルに固有の拡張であり、最終的には安定したアンサンブルの形成に必要です。

提案されたモデルはどちらも、転写の変化が実際にメモリストレージ自体の根底にあるとは想定していないため、これらのモデルは、CREBの変化と学習およびLTPの一時的な性質と一致しています。 転写スイッチングは、翻訳後プロセスのみに依存するシナプススイッチよりも安定した長期記憶ストレージを可能にする可能性があることがしばしば示唆されるため、これは重要なポイントです。CREBのデータはこの提案をサポートしていないことを強調します。 CREBに依存する転写は、安定した記憶の形成に必要であるように見えますが（特にアンサンブル統合モデルでは）、それ自体は安定した情報ストレージメカニズムではないため、長期記憶を仲介することはできません。 その重要な機能は、シナプスでの安定した変化（ただし、参考文献62,63を参照）、またはCREB64,65によって媒介されるもの以外の学習関連の転写変化（興奮性の仮定された長期変化の潜在的な有用性については、を参照）に依存する可能性があります。参照66）。

要約すると、記憶システムの全体的なモデルには、シナプスでの永続的な変化とグローバルな興奮性の一時的な変化の両方が含まれている必要があると主張します。 このような二重のメカニズムは、矛盾していると見なされるべきではありません。 むしろ、CREBに依存する転写変化は、有用な時間的連鎖を生み出す方法で安定したシナプス修飾を促進するように機能します。

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参考文献

1.ヘブ、DO。 行動の組織化：神経心理学的理論。 ワイリー; ニューヨーク：1949年。

2. Bliss TV、CollingridgeGL。 記憶のシナプスモデル：海馬における長期増強。 自然。 1993; 361：31–39。 [PubMed：8421494]

3. Bliss TVP、CollingridgeGL。 海馬におけるNMDA受容体依存性LTPの発現：分裂の橋渡し。 モルブレイン。 2013; 6：5。 [PubMed：23339575]

4.中沢K、McHugh TJ、Wilson MA、利根川S. NMDA受容体、場所細胞および海馬の空間記憶。 NatRevNeurosci。 2004; 5：361–372。 [PubMed：15100719]

5. Giese KP、Fedorov NB、Filipkowski RK、SilvaAJ。 LTPおよび学習におけるアルファカルシウム-カルモジュリンキナーゼIIのThr286での自己リン酸化。 化学。 1998; 279：870–873。 [PubMed：9452388]

6.ロセッティT他 メモリ消去実験は、CAMKIIインメモリストレージの重要な役割を示しています。 ニューロン。 2017; 96：207–216。 [PubMed：28957669]

7. Lee YS、Silva AJ 強化された認知の分子生物学および細胞生物学。 NatRevNeurosci。 2009; 10：126–140。 [PubMed：19153576]

8. Nabavi S、etal。 LTDとLTPを使用したメモリのエンジニアリング。 自然。 2014; 511：348–352。 [PubMed：24896183]

9.松崎M、本倉N、Ellis-Davies GCR、葛西H.単一樹状突起棘における長期増強の構造的基礎。 自然。 2004; 429：761–766。 [PubMed：15190253]

10.ホップフィールドJJ。 段階的応答を持つニューロンは、2状態ニューロンのような集合的な計算特性を持っています。 Proc Natl Acad Sci USA 1984; 81：3088–3092。 [PubMed：6587342]

11. Morris RGM、etal。 海馬の神経生物学的理論の要素：記憶における活動依存性シナプス可塑性の役割。 Philos Trans R Soc Lond BBiolSci。 2003; 358：773–786。 [PubMed：12744273]

12. Castellucci V、KandelER。 アメフラシの行動感作のメカニズムとしてのシナプス前促進。 化学。 1976; 194：1176–1178。 [PubMed：11560]

13. Siegelbaum SA、Camardo JS、KandelER。 セロトニンとサイクリックAMPは、アメフラシ感覚ニューロンの単一のKプラスチャネルを閉じます。 自然。 1982; 299：413–417。 [PubMed：6289122]

14.アルコンDL。 学習中の膜電流の変化。 JExpBiol。 1984; 112：95–112。 [PubMed：6150967]

15. Disterhoft JF、Coulter DA、AlkonDL。 invitroで測定されたウサギ海馬ニューロンのコンディショニング特異的膜変化。 Proc Natl Acad Sci USA 1986; 83：2733–2737。 [PubMed：3458232]

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