科学家发现乙酰胆碱调控大脑学习记忆新机制

乙酰胆碱生理功能示意图(抑制海马高频波动，保证θ节律的优势地位)

5月6日，记者从华东师范大学获悉，华东师范大学教育部脑功能基因组学重点实验室林教授团队在最新研究中阐述了乙酰胆碱调节脑学习记忆的新机制。相关的研究结果最近发表在《神经科学》杂志上。

学习和记忆是大脑最迷人的智力活动之一。当清醒时，大脑进行学习和记忆活动，当休息时(主要是在晚上的睡眠阶段)，大脑巩固它所学到的东西。根据睡眠时脑电图的活动，睡眠可分为慢波睡眠和快波睡眠(也称快速眼动睡眠)。有趣的是，快速波睡眠时的脑电图活动与清醒时非常相似。4~12 Hz的θ节律在大脑的海马体中占主导地位。如果在这个时候醒来，人们会经常报告做梦。因此，θ节律也被认为是表征大脑学习和记忆的“在线”编码过程。在慢波睡眠阶段，海马脑电活动的特征是在慢波上叠加100-250赫兹的短高频波动节律，这被认为与记忆的巩固过程有关。

乙酰胆碱是一种化学物质，与大脑的学习和记忆功能密切相关。先前的研究发现，在清醒和快波睡眠阶段，海马中乙酰胆碱的水平较高，而在慢波睡眠阶段，乙酰胆碱的水平非常低。然而，在海马中没有乙酰胆碱神经元的分布。它的乙酰胆碱来自一种叫做隔膜的大脑结构。早期的实验发现，破坏大脑中隔区域会导致海马的θ节律消失，从而导致大脑中的学习和记忆障碍。然而，除了乙酰胆碱神经元之外，在中隔脑区还有大量的抑制性神经元。因此，隔乙酰胆碱神经元的主要生理功能是什么？它如何与海马脑电信号节律相互作用？乙酰胆碱在学习和记忆中起什么作用？

为了探索这一系列问题，研究人员将先进的光遗传学技术与先进的多通道体内记录技术相结合，实现了对隔乙酰胆碱神经元的实时观察和活体小鼠大脑中48小时的连续记录。

实验结果表明，隔乙酰胆碱神经元的活性与海马的θ节律高度相关。具体表现为清醒和快波睡眠时，海马脑电图表现出典型的θ节律，此时隔乙酰胆碱神经元的活动水平也很高。然而，一旦进入慢波睡眠状态，海马的θ节律消失，间隔乙酰胆碱神经元的活动水平也急剧下降，甚至几分钟内没有任何放电活动。

有趣的是，研究人员的进一步实验显示，这只是表面上的高度相关性。在非θ节律主导的慢波睡眠状态下，通过光遗传学技术激活间隔乙酰胆碱神经元不会在海马中诱导θ节律，但抑制了海马中的高频波动节律。研究人员进一步结合药理学方法来阐明抑制作用是由乙酰胆碱M2和M4受体介导的。

专家表示，这一系列实验研究揭示，乙酰胆碱的一个重要生理功能是抑制清醒和快波睡眠期间高频波动节律的产生，从而确保与动物“在线”学习和记忆编码过程密切相关的θ节律在此时占据主导地位。

据报道，华东师范大学博士生马小宇和张益尧是论文的合著者，徐嘉敏和林龙年是论文的合著者。

相关论文信息:https://www.jneurosci.org/content/40/18/3591