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记忆产生的种种奥秘

2016-03-30 10:09:00

记忆是如何产生的?为何有的人记忆力好,有的人记忆力差?记忆与情感有无关联?这些问题长期以来困扰着神经生物学家。现在,几项研究成果的披露让人们从分子水平看到了记忆形成的一些蛛丝马迹,也为人工智能研究,提高学习效果,以及疾病治疗(如防治老年性痴呆)等提供了新的线索。

 

记忆物质

过去,人们已经知道大脑中记忆的关键部位是海马体,它是大脑中的一个重要区域,在记忆、情绪、情感等脑功能活动中发挥着重要作用。但是,人们一直不知道记忆形成的过程和分子基础。

美国阿尔伯特·爱因斯坦医学院的帕克等人通过先进的成像技术拍摄神经细胞中的分子视频,初步了解了记忆形成过程中的一种记忆物质的作用。在对小鼠脑部海马体的神经细胞中的记忆物质——β肌动蛋白信使核糖核酸(mRNA)分子(即一种神经分子)标注了荧光标签后,研究人员拍摄到了它们的踪迹,发现它们形成于神经细胞核,并在神经细胞的整个树突中穿行。研究人员认为,这可能就是小鼠大脑记忆形成的分子基础。

更为重要的是,这项研究并未使用基因工程的方法或者可能破坏神经细胞的其他介入措施。目前,观察大脑细胞有多种方法,一种是为神经分子标注荧光标签,使其能释放光线穿过大脑组织,从而让成像技术拍摄到大脑细胞中的分子轨迹;另一种是将光纤设备植入大脑组织,以观察产生记忆的海马体神经细胞。帕克等人就是利用了前一种技术。

不过,记忆物质或分子还有很多。例如,过去的研究已经发现,有两种分子(丝裂原活化蛋白激酶MAPK和激酶PKA)与多种记忆形式以及突触(神经细胞之间的接触点)形状改变有关,也就是说它们不仅仅是记忆的物质基础,也参与了神经元(神经细胞)的相互作用。但是,这两种物质和神经元相互发生关系后是如何形成记忆的,却一直不太清楚。

现在,美国纽约大学的神经科学中心教授托马斯·卡鲁和加利福尼亚大学欧文分校神经学家组成的研究小组利用加利福尼亚海兔进行研究,初步揭开了记忆的奥秘。加利福尼亚海兔是一种海洋软体动物,也叫海蛞蝓,它们的神经元比高等生物,如脊椎动物还要大1050倍,而且其神经网络相对较小。这些特性让研究人员很容易检查记忆形成过程中的分子信号。此外,它们的记忆编码机制在进化过程中高度保守,几乎没有什么改变,这也和哺乳动物的记忆编码机制很相似。所以,研究它们的记忆有助于揭开高等动物和人类的记忆之谜。

研究人员对海兔的尾部施加温和程度的电击,诱导它们形成更强的条件反射行为,即激活其尾部神经结构,然后对丝裂原活化蛋白激酶和激酶的分子活性进行检查。结果发现,在形成中期记忆(几个小时)和长期记忆(几天)时,丝裂原活化蛋白激酶和激酶的活性都被激发,而且丝裂原活化蛋白激酶刺激了激酶的活动。而在不到30分钟的短期记忆中,只有激酶的活性被激发,丝裂原活化蛋白激酶并未参与。

这一研究表明,丝裂原活化蛋白激酶和激酶不仅是记忆的物质基础,而且它们的分子活性是形成中短期记忆的关键因素。

 

记忆的神经回路

大脑神经的记忆不只是需要记忆物质产生作用,还需要神经元之间的联系并产生回路,这才能形成记忆。现在,日本理化研究所的圭吾等人通过试验发现了记忆的神经回路的新机制。他们同样采用荧光标记物来标记神经元,以观察海马体的神经元。过去,个体学习和记忆能力的产生被认为是由于大脑中海马体神经元突触连接性的增强所致。海马体包括5个亚区,在其中4个亚区之间形成的回路被认为是个体记忆形成的关键。但是,现在研究人员又在海马体的第5个亚区中鉴别出了一种新型回路。

海马体的5个亚区是CA1-CA5,其中CA2亚区的细胞比较粗糙。圭吾等人通过检测基因RGS14PCP4STEP的表达情况鉴别出了小鼠大脑中的CA2亚区,并对这一亚区中的神经元形成的连接进行分析。结果显示,CA2亚区的神经元可以接收海马齿状回区域细胞的大量的信息输入。

随后研究人员对小鼠大脑进行试验,利用激光来刺激海马体的神经元并且记录其他几个亚区的活性情况。结果显示,CA2CA3区域的神经元的刺激激活作用可以快速发生,但CA1区相对迟缓一些。研究人员认为,CA2亚区的神经元可以将信息发送至CA1亚区,形成一种可以交替的回路。这提示,与CA2亚区相联系的神经回路或许是空间信息和情感信息相结合的路径,因为CA2亚区可以从海马体背部向海马体腹部传递信息。这说明,CA2亚区既是记忆形成的关键要素之一,又是情感产生的重要部位。

另一方面,美国波士顿大学的研究人员也发现了有关记忆的两个神经回路,这是在猴子大脑中发现的,由此也可推论人的大脑也有多种关于记忆的神经回路。

用于进行研究的猴子可以对物体的颜色和物体运动的方向产生反应和认知,这两种认知可能涉及大脑不同的神经回路,需要随时切换,才会有两种不同的认知。在试验中,研究人员让猴子认知物体的颜色和运动方向并在两种行为之间互相切换,与此同时测定猴子大脑额叶前皮质不同位置产生的脑电波。

脑额叶前皮质是思维和决策产生的部位,当思维产生和做决策时,这些部位神经元产生的脑电波会有节律地波动,只要测试这些脑电波就可以知道大脑这些部位是否在活动。研究人员发现,当猴子对物体颜色的判断切换到对物体运动的方向产生反应时,猴子大脑这一部位神经元产生的振动频率会明显变高,即产生β波。大脑功能的切换既要依赖神经回路,也要依赖贮存于神经元中的记忆,以做出判定。

所以,研究人员推论,猴子的大脑在不同规则和想法之间来回切换的时候,它们有不同的神经网络进行切换和协调。

 

对海马体的新认识

在记忆机理方面,另一些研究人员还观察到海马体在此之前不为人知的一些奥秘,这些奥秘可能会改变人们对记忆形成和机理的固有看法。

显然,神经元的活动才是记忆的基础,因为,即便是记忆物质也是在神经元中产生的并与其他神经元联系而形成神经回路,由此才会产生长时或短时记忆。现在,研究人员对小鼠大脑海马体的研究发现,海马体新产生的神经元可能是正常学习和记忆过程的关键。

以前的研究已经证明,新生神经元与成人现有的大脑中的神经元会组成连接。为了帮助确定新生神经元的作用,研究人员通过光基因技术控制小鼠海马体中的新生神经元,测试它们的功能。结果证明,新的神经细胞会加深对恐惧的记忆,同时加强空间定位记忆。这一研究也证明,成年小鼠的大脑海马体可以产生新的神经元。

还有一些研究证明,即便人成年后,大脑也会产生新的神经元。至于成人大脑的海马体是否会产生新的神经元,还需要研究来证实。一旦能证实,说明成人的记忆也可得到加强,而且可以产生新的治疗老年性痴呆的方法或技术。

美国加州大学的安内瑟等人对一名称为H.M.的癫痫病人的大脑解剖也获得了新的发现。

H.M.生于1926年,他在10岁时开始出现轻度癫痫,到了15岁时发展成严重癫痫。当时对H.M.治疗的抗惊厥药物不太管用,于是医生在他27岁时(1953年),对其做了神经外科手术,将其大脑中海马体的一部分切除。这次手术对治疗H.M.的癫痫有较好的疗效,癫痫发作的频率减少,但由于切除了部分海马体,H.M.的长期记忆严重丧失。20世纪90年代对H.M.拍摄的脑成像图片证实,他的海马体大部分已被切除。

2008H.M.去世,安内瑟等人对H.M.的大脑做了切片,并创建了其大脑病变区域的一个三维模型。研究人员用这些模型与H.M.还活着时所做的成像图片进行对比,却发现H.M.的海马体相当大一部分实际上还保留着。现在,这一研究结果已经发表。

这个结果提示,要么是海马体的神经细胞有新生能力,要么是海马体的某些区域在记忆中所起的作用需要重新评估。海马体的神经细胞的新生不仅对记忆有重要作用,还可以治疗抑郁症、老年性痴呆等疾病。因为海马体与记忆有关,也与情感有关。

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