*各个科研大国的脑计划，起因于人们对行为及大脑探秘的高度关注。Nature不久前的一篇报道阐述到，中国脑科学研究所于2018年3月22日正式在北京成立，中国脑计划实体店终开，北京大学饶毅与NIBS北京生命科学研究所罗敏敏共同主管。此举也是继2013年欧美的脑计划、日本2014年的类似小的项目、韩国2016年后中国的跟进。北京市政府资助1.8亿人民币，五年内招募约5-6个课题组约50名研究者，之后希望借助脑计划每年大约需4亿人民币。不难看出，对大脑的研究是一个极其重要而艰难的任务，任重道远，需要相关领域科研工作者贡献自己的才智、见识与勤勉。本文接下来是对学习与记忆机制研究的相关文章进行解读与阐释。

TRPM7在不同发育阶段对维持正常突触密度以及学习记忆是*的

在复旦大学脑科学研究院、医学神经生物学国家重点实验室研究员那德（Nashat Abumaria）课题组的努力下，其研究成果发表在Cell Reports的封面上，影响因子IF为8.032，鉴于荣登封面，价值高于影响因子。

文章关注的是一种通道酶TRPM7，因为它在很多组织都有，这里关注的是它在CNS中枢神经系统并且是生理情况下非病理情况下的功能与角色,确切的是海马区的神经元Knockdown敲低以后发现突触密度减少，但这一现象可以通过C端激酶区得到挽救，挽救的机制可能是磷酸化下游的cofilin蛋白(Cofilin是普遍存在于真核细胞的一种肌动蛋白结合蛋白.Cofilin的基本功能是在细胞内结合和解聚F肌动蛋白)；出生后小鼠knockout敲除以后损伤了学习记忆以及减少了突触密度以及突触可塑性，成年大鼠海马区knockdown以后也损伤了学习记忆以及减少了突触密度以及突触可塑性；

为了研究这个通道酶对学习与记忆的影响，文章选取了小鼠与大鼠这两种模式动物，为了细致观察这种通道酶的功能，做了Knockdown敲低（针对成年大鼠）以及Knockout敲除（针对出生后小鼠）这两种处理方式，辅以挽救实验即在Knockout敲除的小鼠大脑内又注射回该酶以观察效果（针对小鼠，并针对该酶的部分区域即激酶区域），对于主要的衡量指标包括突触密度、突触可塑性以及学习与记忆行为，前两种的衡量方法属于比较常规的抗体染色显微成像、体外电生理记录，后一种课题组采用了荷兰诺达思全新的Cognition Wall认知墙工具评判学习与记忆行为，值得关注。后面会具体谈到。

1、体外细胞层面

首先体外情况如何，在细胞层面，Knockdown敲低TRPM7的表达，看看海马体神经元的情况，当然敲除后表达量减少了并且不影响其它蛋白的表达并且不影响神经元的生长，另外关键的发现突触密度显著减少，突触素等也显著下降! 

上图左边是对照组，右边是敲低后的实验组，可以看出各种重要染色显示敲低后突触密度、突触素显著下降。上面的诸多敲低后的结果到底是什么在起作用，于是展开挽救实验，提高镁离子和锌离子浓度，不行，甚至发现后来两者的细胞内浓度与TRPM7无关了，看来非离子通道在突触密度减少起作用；后来加入C端激酶区域，发现突触密度显著提高！

上面六张荧光图，第二张即是加入C端激酶区域，发现突触密度显著提高，而第三张是突变了的C端激酶发现就不能提高，其特异性可见！

2、动物模型层面

进入到小鼠与大鼠的动物阶段！

采用特定knockout的小鼠，大脑特定区域基因敲除了TRPM7看看实际的个体层面的情况，检查一些基本的行为参数比如运动活性、探索新物体的动机，这些都是正常的。新物体识别的认知参数，敲掉后小鼠明显下降。学习认知实验中，敲除后的小鼠明显学习能力下降，只有40%的小鼠学会了认知墙实验，学习阶段获取了更少的颗粒奖励，记忆阶段更少地做出了正确的选择。而且CA1区域(海马体的一个区域)的突触密度也显著下降。并且突触前末端密度减少、突触后场兴奋电位下降，这些都表明基因敲除的小鼠突触的可塑性受损了。

图1：

图2：

图1左边是黑色的是对照组的突触密度，右边黑色的是敲除组的突触密度，明显下降！图2测定的是场兴奋性突触后电位，黑色的是对照组的LTP长时程增强，红色的是敲除组的LTP长时程增强，明显突出的可塑性受损！

这些突触密度的下降、突触可塑性的受损，反应到行为学上则是学习认知的问题。

采用荷兰诺达思的Cognition Wall认知墙工具进行学习认知行为的研究  

Cognition Wall认知墙工具包含EthoVision软件系统以及PhenoTyper小鼠家居箱以及三孔认知墙等。动物从特定的入口进入（上图显示绿色的入口），则软件自动给予食物奖励（上图蓝色的颗粒显示）该实验全程自动，不需要人为干预，软件自动控制硬件并自动记录数据并自动分析数据。

实验如下：

实验前一周小鼠在标准的鼠笼单笼饲养；

• 实验开始前11个小时前将小鼠放入小鼠家居箱，让其适应环境，即大约晚上8:30将小鼠放入，可以进水限制进食；
• 这个适应阶段放入10粒食物，使小鼠能找到食物给予的地方
• 早上7:30放入认知墙，早上8:00开始实验，全程自动进行；
• 这个过程小鼠需要连续进入左边的孔5次则软件自动控制硬件给予一粒食物（即上图绿色的孔）。

Tip: 本文的小鼠节律是晚上8点开灯至第二天早上8点关灯，后期采用红色昏暗的灯光作为晚上时间，即light phase 8:00pm-8:00am dark phase 8:00am-8:00pm其中dark phase为实验进行时段。

以下图示为实验结果：

从从结果可以看出，基因敲除的红色线的小鼠只有40%的学会了认知墙！对照组全部学会！对比明显！在一天后的记忆测试阶段，将小鼠重新放回带有认知墙的家居箱，在1个小时的测试中计算小鼠做出正确选择的比例（即从左边孔进入）。

从结果可以看出，基因敲除的红色线的小鼠做出正确选择的比例明显低于对照组。

为了确保食物奖励的装置没有问题，实验者亦手动数了每只小鼠在学习过程中获得的食物奖励的数目，因为食物奖励的数目与小鼠的学习能力是相关的。

明显，基因敲除的小鼠获取食物奖励的数目少于对照组，学习能力明显弱于对照组。

没有完！在小鼠模型上注射C端激酶的病毒进行挽救实验，对照组、激酶组、突变激酶组，一个月后做行为学测试后处死进一步分析，新物体识别的认知参数，对照组和激酶组都明显高于突变激酶组。学习认知实验中，对照组和激酶组都明显学习得更快，记忆测试也更多地做出了正确的选择。当然突触密度与突触可塑性均高于突变组。

这和开始的细胞实验对应了起来，在动物模型上并且是行为实验上验证了C端激酶对学习记忆的关键作用。

当然以大鼠为模型，在特定knockdown的大鼠，确定敲低其表达以后，同样基本的行为参数是没有差异的，后测定大鼠的学习与记忆能力，T迷宫空间学习实验（敲低后做出正确选择的比例明显下降）、短期再认记忆（过去经验或识记过的事物再次呈现在面前时仍能确认和辨认出来的过程）也受损、背景记忆也受损，当然突触密度与突触可塑性均明显下降 。

后一个话题，文献报道过cofilin参与的一些功能和TRPM7敲除后很类似，提出假设在学习认知层面TRPM7可能借助cofilin参与了下游的机制，发现敲除后cofilin磷酸化（抑制）显著减少，而激酶组的cofilin确实磷酸化得到了恢复，并验证了两者是直接结合的。

当然下游这块研究还是比较简单，偏向于现象的关联，未能直接与学习记忆做深入研究。另外，激酶的功能是通过突触前、突触后来调控突触密度的机制也需要进一步阐明。

海马体（左）与海马（右）

参考文献：

Liu YQ#,Chen C# ,Liu YL#,Li W, Wang ZH,Sun QF,Zhou H,Chen XJ,Yu YC,Wang Y, Nashat Abumaria*. (2018) TRPM7 Is Required for Normal Synapse Density, Learning, and Memory at Different Developmental Stages .Cell Reports.23(12):3480–3491

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