Plastic changes in lateral amygdala (LA) are thought as an underlying mechanism of associative fear memory. Consistent with this idea, previous findings demonstrated that direct optogenetic activation of auditory inputs to LA (optCS), instead of tone, is sufficient to form associative memory in mice, tested at 1 d after learning. However, since optCS is restricted to axonal terminal in LA, such artificial memory trace unlikely involves upstream auditory pathways, which are activated by tone CS. It raises a question of whether artificial CS could support persistent fear memory like natural auditory CS. In this study, I found optCS does not support remote memory formation, as induction of conditioned response was impaired at 20 d after learning. In vivo recording demonstrated that memory decay is correlated with decay of long-term potentiation (LTP) at optCS inputs, which is thought to support memory retrieval, as optogenetic induction of LTP restored decayed memory expression. While activation of auditory inputs in LA was not, activation of auditory soma was sufficient to form long-lasting memory. I inferred that brain-wide memory trace, which are activated by stimulation of auditory soma, is necessary for remote fear memory formation, probably through triggering offline reactivation of memory trace. Artificial reactivation by optCS prevented decay of both memory and LTP at optCS inputs, supporting above thought. In addition, pharmacological inactivation of dorsal hippocampus (DH), which is known as a key brain structure to drive offline reactivation, selectively impaired formation of remote auditory fear memory, while did not affect initial encoding and retrieval process. Besides, memory reactivation with tone CS compensated DH inactivation, as reactivated mice showed intact fear memory at remote time. Taken together, this study proposes synaptic reinforcement at CS inputs in LA, through offline reactivation of brain-wide memory trace including hippocampus, as an underlying mechanism of associative memory persistence.
내측 편도체에서의 시냅스 효율성 변화는 연합적 공포 기억의 저장과 발현을 매개할 것으로 생각된다. 이에 부합하여, 기존의 연구 결과는 광유전학 기술을 통해 내측 편도체로의 청각 인풋을 직접 자극함과 동시에 전기 자극을 가함으로써 생쥐에게 연합적 공포 기억을 형성시킬 수 있음을 보여주었다. 하지만, 청각적 공포 기억 회로가 내측 편도체 외에도 다른 뇌 영역들을 포함하기 때문에, 위와 같은 방법으로 형성된 기억이 장기적으로 유지될 수 있는지에 대해서는 확인이 필요하다. 본 연구에서는, 광유전학 자극으로 형성된 기억이 학습 20일 뒤에 사라진 것을 확인하였다. 이 후, 생쥐에서의 전기생리 신호 분석을 통하여 시간이 지남에 따른 기억의 감소가 내측 편도체에 있는 광유전학 인풋 시냅스의 효율 감소와 연관되어 있음을 확인하였다. 또한, 인위적으로 시냅스 효율성을 증가시킬 경우, 기억이 회복됨을 확인함으로써 시냅스 효율성은 기억의 발현 메커니즘과 관련이 있음을 확인하였다. 내측 편도체로의 인풋을 자극할 때와는 다르게, 광유전학 자극으로 청각 영역을 직접 자극함과 동시에 전기 자극을 가하는 경우, 20일 째까지 지속되는 기억이 형성되었다. 이러한 차이는 청각 영역을 자극할 때 활성화되는 다른 뇌 영역들이 기억 회로에 포함되며, 오프라인 상태에서 기억 회로의 재활성화를 일으킴으로써 공포 기억을 지속시키기 때문으로 생각되었다. 이후의 실험에서 인위적으로 학습에 사용된 청각 인풋을 직접 자극해 주었을 때, 기억과 시냅스 효율성이 떨어지지 않고 유지됨을 확인함으로써 이러한 생각을 뒷받침하였다. 또한, 기억 회로의 오프라인 재활성화에 중요한 영역으로 알려진 해마를 학습 과정 동안 약물로 억제하였을 때, 청각 공포 기억이 장기적으로 지속되지 못하는 것을 확인하였다. 게다가, 학습에 사용된 소리를 사용하여 기억을 인위적으로 재활성화 해준 경우에는 학습 동안 해마를 비활성화한 생쥐에서도 기억이 지속되는 것을 확인하였다. 종합적으로, 본 연구는 해마를 포함한 뇌신경 회로의 오프라인 재활성화를 통해 일어나는 내측 편도체 시냅스의 재강화가 연합 공포 기억의 지속을 매개한다는 점을 제시하고 있다.
