建立树鼩模型研究Rac1-PAK1通路在不同昼夜节律模式下对记忆巩固的影响

Learning and memory is one of the most important functions of the brain. In recent years, the influence of circadian rhythms on learning and memory has become a hot topic. However, it is not clear that whether the process of memory conclusion is dependent on the intrinsic circadian rhythm or the light. One of the most important reasons may that most of the studies are carried out in diurnal drosophila and nocturnal rodents. According to our previous results, the memory consolidation related molecule Rac1 has an intrinsic circadian rhythm. Thus we propose that the "internal circadian rhythm may affect memory consolidation through the Rac1-PAK1 pathway". We intend to use the diurnal non-human primate tree shrew animal model, by establishing a touch screen cognitive task model, compared the cognitive ability between tree shrews and rats under different light conditions, to clarify whether the intrinsic circadian rhythm or light/dark cycle play a leading role in memory consolidation. The neural imaging technology, cell and molecular biology methods are also used to explore the mechanism of Rac1-PAK1 pathway in memory consolidation under different circadian rhythm mode. The research results can provide new evidences for revealing the mechanism of memory related brain diseases induced by circadian rhythm disorders, and provide a new and more optimized animal model for this field.

学习记忆是大脑最重要的功能之一。近年来，昼夜节律紊乱对学习记忆的影响更是成为国内外的研究热点。然而，由于大部分研究是在昼行性果蝇和夜行性啮齿类中开展的，导致“参与调控记忆巩固的过程是否实际上依赖于内在昼夜节律性，还是同时受到光照影响”这一科学问题在国内外研究中还未见明确结论。根据前期结果提示，记忆巩固相关分子Rac1具有内在昼夜节律性。由此我们提出 “内在昼夜节律可能通过Rac1-PAK1通路影响记忆巩固”这一科学假设。本项目拟利用昼行性的非人灵长类模式动物树鼩，建立触摸屏认知任务模型，通过与大鼠比较不同光照条件下的脑高级认知能力，并结合神经成像技术、细胞和分子生物学手段，阐明究竟是内在昼夜节律还是光/暗周期在记忆巩固中起主导作用，探索Rac1-PAK1通路的作用机制。预期研究成果可为揭示昼夜节律紊乱导致的记忆相关脑疾病机理研究提供新证据，也为该研究领域提供一种全新的、更加优化的动物模型。

昼夜节律如何影响学习记忆一直是神经科学领域的重要研究内容，但在调控学习记忆过程中究竟是内在昼夜节律还是光照起主导作用尚不清楚。为解决这一科学问题，本课题首先利用非人灵长类动物的近亲树鼩建立了熬夜模型和触摸屏认知任务模型，在不影响内在昼夜节律的同时研究光照对学习记忆能力的影响；其次构建了树鼩专用的活动性监测装置和触摸屏认知条件检测系统，实现了试验条件的精细化控制以及树鼩行为精确监控和标准化评价。基于上述构建的系统和动物模型，本课题进一步完成了3个层面的研究。在系统层面，我们发现仅仅延长环境中的光照时间导致树鼩的体重、行为、激素和菌群等发生显著变化。在触摸屏任务学习的不同阶段延长光照发现熬夜不影响树鼩的学习能力和记忆巩固，但记忆的灵活性受损。在脑区层面，磁共振成像结果显示延长光照后树鼩的前额叶、视皮层和下丘的灰质结构密度增加，而胼胝体和下丘的白质结构密度降低。这些改变可以被氯胺酮或洗涤粪菌移植（Washed microbiota transplantation, WMT）缓解。值得注意的是WMT的效应优于氯胺酮。这些研究成果说明树鼩的熬夜模型具有良好的疾病同源性、表象一致性和药物预见性。WMT的成功干预为临床以微生物群作为治疗神经精神疾病的靶标提供了理论支持。在分子层面，通过比较具有内在昼夜节律的学习记忆相关分子Rac1在熬夜前后的表达发现在熬夜模型中是光照而不是内在昼夜节律起主要调节作用。同时，我们还发现与Rac1有关联的并参与突触可塑性调节的蛋白磷酸酶2A（PP2A）的表达量在延长光照后显著升高。在利用转基因小鼠，结合行为学和电生理手段对具体神经机制的研究过程中发现PP2A参与记忆消退过程。综上，在本课题的研究过程中，共建立了2个树鼩模型，搭建了2套树鼩行为学评价系统，发表论文4篇，授权专利2项，登记1项软件著作权，完成了课题所有预定目标。所获得的研究成果对深入理解光/暗周期影响记忆相关的脑疾病机理研究具有重要意义。