Nature Communications文獻解析：飽和脂肪酸與記憶形成相關
多不飽和游離脂肪酸（FFA）如花生四烯酸等，主要由膜磷脂上的磷脂酶活性釋放，長期以來被認為對學習和記憶有益，并且是機體神經傳遞和突觸可塑性調節(jié)劑。然而，在學習過程中大腦特定區(qū)域的其他 FFA 和磷脂變化的確切機制尚不清楚。昆士蘭大學腦研究所Frédéric A. Meunier團隊采用FFAs的敏感同位素標記多重分析（FFAST）和靶向脂質組學方法來表征大鼠大腦中的 FFA 和磷脂，以探討磷脂衍生的 FFA 增加在學習和記憶形成中所起的作用。
磷脂和游離脂肪酸在大鼠腦內分布不均勻
分別采用兩種互補的脂質組學技術檢測大鼠腦組織中磷脂和 FFA 的變化。FFAST 使用微分穩(wěn)定同位素標記法標記 FFA 的羧基，對大鼠大腦 6 個區(qū)域的 18 種FFA進行靶向定量獲得 FFA 濃度（pmol/mg）；在磷脂分析方面，使用負離子模式ESI-MS，將磷脂生成前體離子sn-1/sn-2酰基片段。用冷的人工腦脊液灌注以減少缺血和死后脂質代謝，從解剖組織（中央杏仁核、基底外側杏仁核、前額葉皮層、腹側海馬、背側海馬和小腦）中分別提取 FFA 和磷脂并進行獨立分析（圖 1a-b）。堆積條形圖展示了 FFA 和 5 類磷脂（磷脂酸-PA、磷脂酰膽堿-PC、磷脂酰乙醇胺-PE、磷脂酰甘油-PG 和磷脂酰絲氨酸-PS）的平均濃度（圖 1d-i）。結果表明，F(xiàn)FAs和磷脂在大腦區(qū)域中分布不均；相對于組織重量，杏仁核和前額皮質的濃度最高，海馬背側和小腦的濃度最低。飽和FFAs（6:0–24:0）占大腦各區(qū)域FFAs的絕大部分，其中PC和PE在整個大腦中的含量最高。
（圖1）
磷脂和FFAs對聯(lián)想學習有反應
杏仁核中磷脂和FFA的豐度非常高，提示其可能參與杏仁核有關的學習和記憶獲取。通過研究脂質對聽覺恐懼條件反射（AFC）的反應來探索這種可能性。AFC 是一種廣泛使用的學習范式，在這種范式中，動物學會將中性聽覺音調與輕度電擊聯(lián)系起來。暴露于配對音調/電擊 AFC 刺激的大鼠對隨后的僅音調刺激表現(xiàn)出明顯的凍結（圖2a-b），對照組大鼠暴露在相同數(shù)量的未配對音調中。作者試圖確定這種長期學習行為是否與動物大腦（尤其是杏仁核）中脂質結構變化有關。N-甲基天冬氨酸（NMDA）受體在恐懼學習中至關重要，競爭性NMDA受體拮抗劑（6）-3-（2-羧基哌嗪-4-yl）丙基-1-膦酸（CPP）通常被用于阻斷聯(lián)想學習。作者測試了與鹽水注射的動物相比，用CPP阻斷NMDA受體是否改變對AFC的脂質反應。通過比較四個隊列動物的脂質組譜（圖2a）以評估FFA和磷脂對AFC的反應，當CPP阻斷長期恐懼記憶獲取時，這種活性依賴的反應是如何被調節(jié)的，從而識別出豐度變化與 NMDA 依賴的長期記憶相關的脂質種類。在全腦水平上，AFC與生理鹽水注射導致許多FFA顯著增加（飽和肉豆蔻酸增加最顯著），大量磷脂的顯著減少（圖2c）。在CPP條件下配對AFC的特征是FFAs和磷脂的減少（圖2d）。在生理鹽水處理的動物中，AFC導致FFAs顯著增加，PG略有增加，PA、PC、PE和PS均減少（圖2d）。相比之下，在CPP處理的動物中，AFC在所有類別中均呈減少趨勢。
（圖2）
層次聚類熱圖（圖3a）顯示FFAs和特定類別的磷脂聚在一起，表明對AFC的反應相似，F(xiàn)FAs在整個大腦中呈增加趨勢，在中央杏仁核觀察到最強的影響，肉豆蔻酸的影響最強；腹側海馬的 PA 和 PC 水平顯著降低，而中央和基底外側杏仁核的 PE 水平降低，腹側海馬的 PG 水平增加，前額葉皮層中的所有脂質類別均略有增加（圖 3a-b，框1-5）。CPP可調節(jié)這些反應，但其作用在中央杏仁核和海馬背側最為顯著，其中大多數(shù)被檢測的脂質豐度顯著減少。盡管 CPP 本身會影響整個大腦中 FFAs 的基礎水平，但這些變化與響應活動的區(qū)域特異性CPP效應無關。
（圖3）
FFA反應與長期恐懼記憶的形成相關
如圖2和3所示，F(xiàn)FAs（特別是飽和肉豆蔻酸和棕櫚酸）對AFC的響應表現(xiàn)出最顯著的活性依賴性變化。本研究使用AFC能夠確定這些大腦特定區(qū)域對FFA譜的改變是否與對恐懼條件反射的持久學習反應相關。在 AFC 之后0 小時和幾小時（圖 2b），生理鹽水和 CPP 處理的動物通常僅對音調的刺激表現(xiàn)出非常相似的凍結反應，這表明在不依賴NMDA受體的方式下，對配對刺激獲得了相同的短期學習反應。然而，隨后的恐懼記憶鞏固是 NMDA 受體依賴性的，因為它可以被CPP 阻斷。AFC 后 24 小時（圖 2b），生理鹽水處理的動物保持對音調的凍結反應，而 CPP 處理的動物則表現(xiàn)出顯著減弱的反應。在 AFC 后 2 小時測定脂質，此時 FFA 對配對 AFC 刺激的反應在生理鹽水和 CPP 處理的動物之間始終不同，即使兩組在此階段表現(xiàn)出相似的凍結行為，表明由對 AFC 的短期反應引起的大腦 FFA 譜的變化是鞏固長期記憶所必需的。通過抑制 NMDA 受體來阻止這些特征變化與記憶鞏固失敗相關。為了確認FFA反應的定量變化與記憶獲取的關系，本研究使用多元分析評估了4個實驗條件下6個腦區(qū)24個樣本獲得的FFA譜的關系，3456個個體FFA測量值被壓縮成一個18 FFA x 24的陣列，每個陣列元素代表8只大鼠FFA的平均測量值。使用 isomap 算法通過非線性降維 (NLDR) 對陣列進行分析，結果證實FFA對CPP處理和AFC刺激的廣泛響應， NLDR 根據(jù)四種實驗條件可以很容易地對配置文件進行分組，這與長期記憶鞏固相關（圖 2b）。
FFA對AFC的反應在杏仁核最強
生理鹽水和 CPP 處理的動物中， FFA 對 AFC 的反應在杏仁核尤其是中央杏仁核最為顯著（圖 4a-b），主要是飽和的 FFA，特別是肉豆蔻酸及棕櫚酸。花生四烯酸是反應最強烈的不飽和 FFA。本研究中使用的6-8 周代表青春期中后期雄性動物，已有研究表明青春期對負面事件的情緒反應會增強；與成年鼠相比，青春期鼠因恐懼而產生凍結行為的消失程度大大降低。本研究中觀察到的杏仁核中FFA反應增高可能至少部分反映了青春期雄性鼠的發(fā)育過程。雖然推測 FFA 的增加與 AFC 突觸中磷脂酶活性導致的磷脂減少相關，但磷脂在腦組織中的濃度遠高于 FFA，給定的 FFA 種類可能來自多種磷脂和其他底物（如溶血磷脂和�；视停┑拿复偌庸�。當對測量的磷脂類別中最常見的�；N類求和時（圖 4c），F(xiàn)FA �；N類的分布并不簡單地反映特定磷脂分類中酰基種類的分布，也不能反映總磷脂的分布，提示在記憶獲取過程中會出現(xiàn)某種程度的磷脂酶特異性，尤其是游離肉豆蔻酸的相對豐度高，而含肉豆蔻�；牧字鄬ωS度低（圖 4c）。值得注意的是，在中央杏仁核中，PA/PC/PS 磷脂中20:4_14:0，22:6_14:0 和 16:0_14:0 減少（圖 3a）。相反，游離棕櫚酸并不反映其在磷脂，尤其是磷脂酰膽堿中的相對豐度高，且磷脂底物加工具有很強的大腦區(qū)域特異性。整個大腦中肉豆蔻酸活性依賴性增加，并不是反映到這些區(qū)域中含有肉豆蔻�；牧字孜锏难a充性減少（圖 4d）。
（圖4）
小結
本研究將脂質組學方法與AFC 結合闡述：（1）磷脂和 FFA 在大鼠大腦中的分布是異質的，在杏仁核中濃度最高；（2）磷脂和 FFA 分布在整個大腦中發(fā)生變化以活動依賴的方式響應 AFC；（3）變化特征是飽和脂肪酸（特別是肉豆蔻酸）和較低程度的不飽和脂肪酸（特別是花生四烯酸）可能從磷脂底物中釋放；（4）用NMDA受體拮抗劑CPP阻斷這些變化與長期記憶鞏固失敗有關，但對AFC的短期反應并無影響。以上結果表明由NMDA受體調控的FFA變化是學習和記憶形成所必需的。大腦區(qū)域特異性的FFA對AFC最大的反應在杏仁核和前額皮質，前腦的前額皮質對AFC的反應第二大，高于海馬體。
本研究將FFA 譜與腦功能建立聯(lián)系并解析全腦FFA隨學習變化的輪廓，明確了進一步研究磷脂及其代謝物在記憶形成的重要意義。在獲取恐懼記憶過程中產生的特定飽和/不飽和的FFAs與該記憶的長期鞏固相關，但FFAs介導這種鞏固的機制目前仍不清楚。將脂質組學技術的新發(fā)展與動物學習和記憶模型相結合，對于揭示這些FFAs在學習和記憶中的具體作用至關重要。
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參考文獻
Tristan P. Wallis, Frédéric A. Meunier, et al. Saturated free fatty acids and association with memory formation. Nature Communications. 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23840-3.
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