Studies on synaptic changes among engram cells after memory formation

Abstract

기억이 저장되는 원리와 장소를 찾기 위하여 오랜 기간 동안 많은 노력들이 이어져왔다. 최근 연구들에 의하면 기억은 엔그램 세포들에 의해 저장된다는 것이 밝혀졌다. 하지만 기억저장에 있어서 시냅스 가소성의 중요성을 고려했을 때 기억이 저장되는 장소를 세포수준이 아닌 시냅스 수준에서 밝히는 연구가 필요하다. 기술적 한계로 인하여 한 신경세포의 시냅스들을 분류하는 것이 불가능하였기 때문에 어떤 시냅스들이 특이적으로 기억형성에 의해 강화되는지 확인할 수 없었다. 본 연구는 엔그램 세포 사이의 시냅스가 특이적으로 강화되는 것을 보임으로서 엔그램을 시냅스 수준에서 찾아내고자 하였다. 이를 위해 한 수상돌기의 시냅스들을 시냅스 전 신경세포의 종류에 따라 구분해낼 수 있는 dual-eGRASP라는 기술을 개발하였다. 이를 이용하여 CA3 – CA1 사이의 가능한 네 종류의 시냅스 (엔그램 – 엔그램, 엔그램 – 비엔그램, 비엔그램 – 엔그램, 비엔그램 – 비엔그램)들 중에서 엔그램 – 엔그램 시냅스가 개수와 크기 측면에서 특이적으로 증가해있다는 것을 발견하였다. 이에 더하여 전기생리학적 실험으로 CA3 엔그램 시냅스의 분비확률증가와 CA1 엔그램 시냅스의 시냅스 후 반응 증가를 보임으로서 엔그램 세포 사이의 시냅스의 기능적 증가를 증명하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 엔그램 세포 사이 시냅스가 구조적, 기능적 증가를 통해 기억을 저장하는 시냅스가 된다고 밝혀내었다.

The specific sites responsible for memory storage has been focused for a long time. Recent studies demonstrated that memory is encoded in engram cells distributed across the brain. However, the memory substrate at synapse-level within these engram cells remains theoretical while it is generally accepted that synaptic plasticity encodes memory. Because of technical limitations, synapses between engram cells with other synapses has not yet been directly compared. To study engram in synapse-level, I developed dual-eGRASP technique to differentiate the synapses in one dendrite based on its presynaptic neuronal population. By comparing the four possible synapses (engram to engram, engram to non-engram, non-engram to engram, non-engram to non-engram) between CA3 – CA1 connections, I found the increased number and size of spines on CA1 engram cells received input from CA3 engram cells than other synapses. In addition, electrophysiological experiments revealed the functional enhancement of synapses between engram cells by showing CA3 engram synapses exhibit increased release probability, while CA1 engram synapses exhibit enhanced postsynaptic responses. These results strongly suggest that increased structural and functional connectivity between engram cells across two directly connected brain regions forms the synaptic correlate of memory.