Aging-Dependent Changes in the Distribution, Stability, and Transcriptional Signature of Engram Cells

Abstract

Both classical activity mapping based on the induction of activity-regulated genes and novel genetic methods to label and control the activity of neurons indicate that memories are deposited in discrete neuronal ensembles, or engrams, within the hippocampus and other brain regions involved in memory formation. However, the creation of a brain-wide map for engram formation and stability has proven to be a challenging endeavor that has been only partially tackled. Furthermore, we know that aging reduces the ability to maintain or retrieve such memories, but it remains unclear how aging affects engram formation, stability, and the molecular changes that enable their retrieval. In this study, we used the Targeted Recombination in Active Populations v2 (TRAP2) mouse strain to permanently label neurons activated within specific temporal windows. By combining this with a nuclear envelope labeling reporter, we were able to use iDISCO to automatically quantify cells involved in a contextual fear memory with unprecedented precision. At the same time, this system allowed us to isolate cells activated during different memory phases using fluorescence-activated nuclear sorting (FANS). Using advanced analytical methods, we studied the size, distribution, and stability of engrams in 378 brain regions. In addition, using various sequencing techniques to analyze transcriptomic changes, we were able to identify transcriptional signatures associated with memory encoding and retrieval. By conducting these experiments in both young and aged mice, we uncovered key age-dependent differences in engrams biology. Our findings reveal new dynamics in engram activity, highlight previously unrecognized brain regions involved in fear memory, and expose important age-related changes in engram activation that may underlie cognitive decline./ Tanto la cartografía clásica de la actividad basada en la inducción de genes regulados por actividad como los novedosos métodos genéticos para etiquetar neuronas y controlar su actividad indican que los recuerdos se depositan en conjuntos neuronales discretos, o engramas, dentro del hipocampo y otras regiones cerebrales implicadas en la formación de memorias. Sin embargo, la creación de mapas que reflejen la formación y estabilidad de los engramas a nivel de todo el cerebro es una tarea difícil que sólo se ha abordado parcialmente. Por otra parte, sabemos que el envejecimiento reduce la capacidad de mantener o recuperar recuerdos, pero aún se desconoce cómo afecta a la formación y estabilidad de los engramas, y a los cambios moleculares que permiten acceder a los recuerdos. En esta tesis, utilizamos la cepa de ratones Targeted Recombination in Active Populations v2 (TRAP2) para marcar permanentemente las neuronas activadas dentro de ventanas temporales específicas. El cruce de ratones TRAP2 con una cepa reportera que permite el marcado de la envoltura nuclear, nos ha permitido la cuantificación automatizada de las células implicadas en una memoria de miedo contextual con una precisión sin precedentes utilizando iDISCO. Paralelamente, este sistema nos ha facilitado aislar las células reactivadas durante el recuerdo utilizando la separación de núcleos activada por fluorescencia (FANS). Gracias a métodos analíticos avanzados, examinamos el tamaño, la distribución y la estabilidad de los engramas en 378 regiones cerebrales. Además, mediante diversas técnicas de secuenciación para analizar los cambios transcriptómicos, hemos podido identificar firmas transcripcionales relacionadas con la codificación y el recuerdo de la memoria. Estos experimentos se han realizado tanto en adultos jóvenes como envejecidos lo que nos ha permitido identificar cambios relevantes dependientes de la edad en la biología de las células del engrama. Nuestros hallazgos revelan nuevas dinámicas en la actividad de los engramas, destacan regiones cerebrales no identificadas previamente implicadas en la memoria del miedo y descubren diferencias clave relacionadas con la edad en la activación de los engramas que pueden contribuir al deterioro cognitivo.