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Hospital for Sick Children

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Proc. Natl. Acad. Sci. USA, May 19 2026, 123 (20) | https://doi.org/10.1073/pnas.2602678123 Temporally gated offline engram ensemble reverberation in the lateral amygdala is required for fear memory consolidation

Sungmo Park^a, Bozhi Wu^a,b, Sofiya Zbaranska^a,b, Joseph Lee^a,c, Alexander D. Jacob^a,c, Annelies Hoorn^a,b, Andrew Mocle^a,b, Alessandro Luchetti^a, Mahe Chen^a,d, Jung Hoon Jung^a, Paul W. Frankland^a,b,c,d, and Sheena A. Josselyn^a,b,c,e,1

^aProgram in Neuroscience and Mental Health, Hospital for Sick Children, Toronto, ON M5G 1X8, Canada;
^bDepartment of Physiology, University of Toronto, Toronto, ON M5S 1A8, Canada;
^cDepartment of Psychology, University of Toronto, Toronto, ON M5S 3G3, Canada;
^dDepartment of Computer Science, University of Toronto, Toronto, ON M5S 2E4, Canada; and
^eChild and Brain Development Program, Canadian Institute for Advanced Research, Toronto, ON M5G 1M1, Canada

¹To whom correspondence may be addressed.

Abstract

Memories are encoded by sparsely distributed neuronal ensembles, or engrams, yet how newly allocated engram neurons are consolidated to support subsequent memory retrieval remains unclear. While offline reactivation has been extensively studied in hippocampal circuits, whether similar ensemble-level dynamics support consolidation of emotional memories in the amygdala is unknown. Here we combine longitudinal in vivo calcium imaging, temporally precise activity-dependent neuronal tagging, and optogenetic manipulations to examine postlearning dynamics of fear engram ensembles in the lateral amygdala (LA) of mice. We find that neurons allocated to a fear engram exhibit a transient, temporally gated increase in spontaneous activity and functional coordination immediately after learning, which decay within hours. Disrupting LA activity during this early posttraining window, but not at later time points, produces persistent amnesia. Selective inhibition of neurons active immediately after training is sufficient to impair memory, whereas inhibition of neurons active 12 h posttraining or neurons responsive to an unrelated sensory stimulus has no effect. Critically, memories disrupted by posttraining engram inhibition cannot be rescued by direct optogenetic reactivation of the engram ensemble, indicating a failure of engram consolidation rather than a retrieval deficit. We further show that engram ensemble activity is similarly required following memory retrieval, implicating a shared circuit-level mechanism for consolidation and reconsolidation. Together, these findings identify offline engram ensemble reverberation in the LA as a causal mechanism for transforming a transient, cellularly allocated trace into a stable, retrievable emotional memory.

논문소개전체 설명

기억은 어떻게 오래 남게 될까요?
편도체 엔그램 신경세포의 반복 활동이 기억을 만든다고 알려져 있습니다.

우리는 강렬한 경험을 오랫동안 기억합니다. 특히 공포와 관련된 경험은 쉽게 잊히지 않습니다. 그렇다면 뇌는 순간적인 경험을 어떻게 안정적인 장기 기억으로 바꾸는 것일까요?

최근 PNAS에 게재된 본 연구에서는, 공포 기억을 담당하는 편도체(amygdala)의 특정 신경세포 집단이 학습 직후 짧은 시간 동안 반복적으로 함께 활성화되는 과정이 기억 형성에 필수적이라는 사실을 밝혔습니다.

저희 연구팀은 생쥐의 편도체 외측핵(lateral amygdala)에서 칼슘 이미징(calcium imaging)을 이용해 동일한 신경세포들의 활동을 일정 시간동안 추적했습니다.. 공포 학습 후 기억 회상에 관여하는 ‘엔그램(engram)’ 신경세포들을 분석한 결과, 이 세포들은 학습 직후 약 10분 동안 서로 동기화된 패턴으로 반복 활성화되었습니다. 하지만 이러한 활동은 약 12시간 후 대부분 사라졌습니다.

저희 연구팀은 광유전학(optogenetics)을 이용해 이 시기의 엔그램 활동을 억제했습니다. 그 결과, 생쥐는 다음 날 공포 기억을 제대로 회상하지 못했습니다. 더욱 흥미로운 점은, 나중에 동일한 엔그램 신경세포를 다시 강제로 활성화해도 기억이 복구되지 않았다는 것입니다. 이는 기억이 단순히 “꺼진” 것이 아니라, 안정적으로 저장되지 못했다는 의미라고 볼 수 있습니다.

이번 연구는 기억이 단순히 특정 신경세포에 저장되는 것이 아니라, 학습 직후 엔그램 신경세포들의 반복적이고 coordinated된 활동을 통해 안정화된다는 사실을 보여줍니다. 또한 PTSD나 치매와 같은 기억 관련 질환의 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대됩니다.

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