一项基于小鼠模型的研究结果显示，即使大脑暂时丢失超过半数的突触连接，记忆仍可留存，该结果对“长期记忆依赖稳定的单个突触”这一长期公认的观点提出了挑战。本研究由冲绳科学技术大学院大学（Okinawa Institute of Science and Technology, OIST）团队牵头，联合筑波大学、生命与生命系统探索研究中心（ExCELLS）、日本国立生理科学研究所的研究人员共同完成，研究团队采用人工冬眠小鼠模型，解析了记忆留存的结构基础机制。
研究结果表明，记忆并非通过单个突触实现留存，而是依赖更具韧性的神经结构模式——包括特定的互联突触簇，这类突触簇在冬眠相关的全脑大范围结构重塑过程中会受到保护。这些被保留的结构基序可作为“核心记忆痕迹”，使大脑在遭受重大结构破坏后能够重建功能神经网络。
本研究通讯作者、OIST记忆研究单元负责人田中一将（Kazumasa Tanaka）博士表示：“此前学界认为，突触强化是记忆提取的核心，拥有更大树突棘的强突触是长期记忆留存的基础。而本研究证实，并非所有突触都参与记忆留存，记忆印迹（engram）的架构才是关键。我们发现，小型的印迹-印迹突触簇会被特异性保留，即使经历冬眠过程，动物仍可实现精准的记忆提取。”
田中一将是该团队发表于《科学》（Science）期刊的论文的资深作者兼通讯作者，论文标题为《人工冬眠揭示与记忆留存相关的突触印迹架构》。
论文作者指出，解析记忆在大脑中的存储机制是神经科学领域的核心挑战之一。数十年来，科学家始终认为突触增强（即大脑细胞连接的适应性强化过程）是记忆留存的关键。而田中团队的最新研究证实了高阶突触架构的重要性，提示脑细胞之间特定的连接簇模式可能才是长期记忆留存的核心。
论文作者写道：“数十年来，记忆的结构基础始终是神经科学最基础的研究方向之一。” 与计算机存储类似，人类大脑也需要存储物理形式的记忆痕迹，这种物理痕迹即为记忆印迹，由特定的脑细胞网络编码形成，编码过程中该网络内细胞的突触（即细胞间的连接位点）会发生改变。当存在连接的脑细胞反复同步放电时，两者间的突触会强化，神经递质释放量增加，同时触发结构改变（例如树突棘体积增大，扩大两个细胞的接触面积）。反之，若某一连接长期处于低活跃状态，细胞间的突触连接会逐渐减弱，最终可能完全消失。
传统观点认为，拥有更大、更稳定树突棘的突触是记忆存储的核心。尽管我们通常认为这类连接会在记忆留存期间保持稳定，但近年研究发现，特定记忆印迹相关细胞的结构和数量可随时间发生改变，但并不会影响记忆提取。研究团队表示：“近年研究显示突触具有高度动态性，树突棘会频繁形成或消失，神经元表征也会随时间发生漂移，即使此前被强化的突触连接被破坏，记忆仍可被提取。” 这些观测结果引出了一个根本问题：“即使神经网络发生大范围结构重塑，记忆为何仍能保持稳定？”
为解答这一问题，研究人员采用人工冬眠模型作为研究记忆稳定性的实验体系。冬眠状态下，生物代谢水平降低，可在食物匮乏的严寒冬季存活，同时大脑活动会大幅下降。
2020年，本研究共同作者、筑波大学高级研究院国际综合睡眠医学研究所（WPI-IIIS）的樱井武（Takeshi Sakurai）博士团队首次在小鼠中成功诱导人工冬眠，解析了诱导冬眠所需的脑环路，为神经科学研究提供了全新工具。后续他们联系了田中一将开展合作，樱井武表示：“大脑的复杂程度极高，若冬眠能够降低并简化大脑活动与结构，就能降低这类复杂系统的研究难度，这也是我希望采用人工冬眠技术研究记忆的原因。”
研究人员对人工冬眠前、冬眠中、冬眠后的小鼠大脑进行成像，发现冬眠期间海马区超过半数的突触消失，作为脑活动指标的神经元放电率下降约70%。突触清除不受树突棘大小的影响，无论对应树突棘体积大小，突触被清除的概率无显著差异。
研究人员指出：“人工冬眠可导致神经元活动大幅下降，并清除超过半数的海马区突触。”
令人意外的是，人工冬眠后的行为学测试显示，小鼠的记忆提取能力未发生变化，部分个体甚至有所提升。研究人员表示：“即使发生了如此大规模的结构改变，小鼠仍保留了此前获得的记忆，且经验相关的神经元表征也未受损。”
本研究第一作者林郁茹（Yu-Ju Lin）博士表示：“这一结果十分惊人。从逻辑上看，如果所有印迹突触都像传统观点认为的那样对记忆留存不可或缺，那么小鼠的记忆应该会出现大幅衰退。”
为探究记忆未受损甚至提升的原因，研究人员采用了关联光镜-电镜技术（correlative light and electron microscopy, CLEM）。本研究共同作者、技术人员高桥爱（Ai Takahashi）解释道：“CLEM技术将荧光显微技术与高分辨率电镜技术结合，通过荧光标记样本，我们可以用不同颜色区分细胞或生物的不同结构，例如帮助我们定位关键蛋白；随后我们可以用电镜对同一区域进行放大，以更高的分辨率解析亚结构特征。”
本研究是首次采用CLEM技术观测记忆印迹的研究，鉴于印迹突触体积小、分布稀疏，这一成果具有重要意义。田中一将补充道：“成功匹配光镜和电镜数据集对印迹进行成像，在技术上极具挑战性。我们希望本次方法学层面的贡献，能够为未来研究其他重要神经科学问题提供新的平台。”
研究人员对参与特定记忆痕迹编码的突触进行荧光标记，在人工冬眠前后对其进行检测，发现突触总量大幅下降，但部分突触簇被特异性保留。研究人员写道：“树突棘的清除不受体积影响，但在复苏后，许多树突棘会在树突的同一位置重新形成。值得注意的是，记忆编码神经元之间的突触连接呈空间聚集状分布。” 田中一将表示：“这提示对于长期记忆而言，仅特定突触簇发挥核心作用，其余突触可能是非必需的。有趣的是，此前被证实在记忆初始编码过程中会增大的树突棘体积，似乎对记忆留存没有影响。”
林郁茹补充道：“我们已经观测到突触簇与记忆留存之间存在相关性，但尚未证实两者的因果关系。随着技术发展，后续对这些突触簇开展更深入的研究，将有望解答这些遗留问题。”
展望未来，研究人员希望继续开展记忆相关研究，解析这些核心突触簇的保护机制。研究人员总结道：“深入理解冬眠保护核心记忆痕迹、维持网络完整性的机制，将帮助我们更全面地揭示记忆的调控原理。”
田中一将表示：“我们已经对记忆留存所需的架构有了部分认知，但仍有大量问题亟待探索：大脑如何长期维持这类结构？不同记忆之间如何相互作用？我们还有太多内容需要研究。”
研究人员还计划探索人工冬眠的其他应用方向，田中一将指出：“本研究基于小鼠模型开展，但冬眠相关的神经环路在包括人类在内的多数哺乳动物中高度保守，因此通过人工冬眠研究，我们有望发现可转化至人类健康与神经科学领域的新认知或应用方向。”
专业注释
- 记忆印迹（engram）：记忆在大脑中存储的物理痕迹
- 关联光镜-电镜技术（CLEM）：结合荧光成像与高分辨电镜的成像技术
- 多突触轴突终扣（MSB）：单个突触前末梢连接多个突触后结构的特化突触