記憶產(chǎn)生的種種奧秘

王小莜

記憶是如何產(chǎn)生的？為何有的人記憶力好，有的人記憶力差？記憶與情感有無關(guān)聯(lián)？這些問題長(zhǎng)期以來困擾著神經(jīng)生物學(xué)家?，F(xiàn)在，幾項(xiàng)研究成果的披露讓人們從分子水平看到了記憶形成的一些蛛絲馬跡，也為人工智能研究，提高學(xué)習(xí)效果，以及疾病治療（如防治老年性癡呆）等提供了新的線索。

記憶物質(zhì)

過去，人們已經(jīng)知道大腦中記憶的關(guān)鍵部位是海馬體，它是大腦中的一個(gè)重要區(qū)域，在記憶、情緒、情感等腦功能活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。但是，人們一直不知道記憶形成的過程和分子基礎(chǔ)。

美國(guó)阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的帕克等人通過先進(jìn)的成像技術(shù)拍攝神經(jīng)細(xì)胞中的分子視頻，初步了解了記憶形成過程中的一種記憶物質(zhì)的作用。在對(duì)小鼠腦部海馬體的神經(jīng)細(xì)胞中的記憶物質(zhì)——β肌動(dòng)蛋白信使核糖核酸（mRNA）分子（即一種神經(jīng)分子）標(biāo)注了熒光標(biāo)簽后，研究人員拍攝到了它們的蹤跡，發(fā)現(xiàn)它們形成于神經(jīng)細(xì)胞核，并在神經(jīng)細(xì)胞的整個(gè)樹突中穿行。研究人員認(rèn)為，這可能就是小鼠大腦記憶形成的分子基礎(chǔ)。

更為重要的是，這項(xiàng)研究并未使用基因工程的方法或者可能破壞神經(jīng)細(xì)胞的其他介入措施。目前，觀察大腦細(xì)胞有多種方法，一種是為神經(jīng)分子標(biāo)注熒光標(biāo)簽，使其能釋放光線穿過大腦組織，從而讓成像技術(shù)拍攝到大腦細(xì)胞中的分子軌跡；另一種是將光纖設(shè)備植入大腦組織，以觀察產(chǎn)生記憶的海馬體神經(jīng)細(xì)胞。帕克等人就是利用了前一種技術(shù)。

不過，記憶物質(zhì)或分子還有很多。例如，過去的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有兩種分子（絲裂原活化蛋白激酶MAPK和激酶PKA）與多種記憶形式以及突觸（神經(jīng)細(xì)胞之間的接觸點(diǎn)）形狀改變有關(guān)，也就是說它們不僅僅是記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)，也參與了神經(jīng)元（神經(jīng)細(xì)胞）的相互作用。但是，這兩種物質(zhì)和神經(jīng)元相互發(fā)生關(guān)系后是如何形成記憶的，卻一直不太清楚。

現(xiàn)在，美國(guó)紐約大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)中心教授托馬斯·卡魯和加利福尼亞大學(xué)歐文分校神經(jīng)學(xué)家組成的研究小組利用加利福尼亞海兔進(jìn)行研究，初步揭開了記憶的奧秘。加利福尼亞海兔是一種海洋軟體動(dòng)物，也叫海蛞蝓，它們的神經(jīng)元比高等生物，如脊椎動(dòng)物還要大10～50倍，而且其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)較小。這些特性讓研究人員很容易檢查記憶形成過程中的分子信號(hào)。此外，它們的記憶編碼機(jī)制在進(jìn)化過程中高度保守，幾乎沒有什么改變，這也和哺乳動(dòng)物的記憶編碼機(jī)制很相似。所以，研究它們的記憶有助于揭開高等動(dòng)物和人類的記憶之謎。

研究人員對(duì)海兔的尾部施加溫和程度的電擊，誘導(dǎo)它們形成更強(qiáng)的條件反射行為，即激活其尾部神經(jīng)結(jié)構(gòu)，然后對(duì)絲裂原活化蛋白激酶和激酶的分子活性進(jìn)行檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在形成中期記憶（幾個(gè)小時(shí)）和長(zhǎng)期記憶（幾天）時(shí)，絲裂原活化蛋白激酶和激酶的活性都被激發(fā)，而且絲裂原活化蛋白激酶刺激了激酶的活動(dòng)。而在不到30分鐘的短期記憶中，只有激酶的活性被激發(fā)，絲裂原活化蛋白激酶并未參與。

這一研究表明，絲裂原活化蛋白激酶和激酶不僅是記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且它們的分子活性是形成中短期記憶的關(guān)鍵因素。

記憶的神經(jīng)回路

大腦神經(jīng)的記憶不只是需要記憶物質(zhì)產(chǎn)生作用，還需要神經(jīng)元之間的聯(lián)系并產(chǎn)生回路，這才能形成記憶?，F(xiàn)在，日本理化研究所的圭吾等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了記憶的神經(jīng)回路的新機(jī)制。他們同樣采用熒光標(biāo)記物來標(biāo)記神經(jīng)元，以觀察海馬體的神經(jīng)元。過去，個(gè)體學(xué)習(xí)和記憶能力的產(chǎn)生被認(rèn)為是由于大腦中海馬體神經(jīng)元突觸連接性的增強(qiáng)所致。海馬體包括5個(gè)亞區(qū)，在其中4個(gè)亞區(qū)之間形成的回路被認(rèn)為是個(gè)體記憶形成的關(guān)鍵。但是，現(xiàn)在研究人員又在海馬體的第5個(gè)亞區(qū)中鑒別出了一種新型回路。

海馬體的5個(gè)亞區(qū)是CA1-CA5，其中CA2亞區(qū)的細(xì)胞比較粗糙。圭吾等人通過檢測(cè)基因RGS14、PCP4和STEP的表達(dá)情況鑒別出了小鼠大腦中的CA2亞區(qū)，并對(duì)這一亞區(qū)中的神經(jīng)元形成的連接進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，CA2亞區(qū)的神經(jīng)元可以接收海馬齒狀回區(qū)域細(xì)胞的大量的信息輸入。

隨后研究人員對(duì)小鼠大腦進(jìn)行試驗(yàn)，利用激光來刺激海馬體的神經(jīng)元并且記錄其他幾個(gè)亞區(qū)的活性情況。結(jié)果顯示，CA2和CA3區(qū)域的神經(jīng)元的刺激激活作用可以快速發(fā)生，但CA1區(qū)相對(duì)遲緩一些。研究人員認(rèn)為，CA2亞區(qū)的神經(jīng)元可以將信息發(fā)送至CA1亞區(qū)，形成一種可以交替的回路。這提示，與CA2亞區(qū)相聯(lián)系的神經(jīng)回路或許是空間信息和情感信息相結(jié)合的路徑，因?yàn)镃A2亞區(qū)可以從海馬體背部向海馬體腹部傳遞信息。這說明，CA2亞區(qū)既是記憶形成的關(guān)鍵要素之一，又是情感產(chǎn)生的重要部位。

另一方面，美國(guó)波士頓大學(xué)的研究人員也發(fā)現(xiàn)了有關(guān)記憶的兩個(gè)神經(jīng)回路，這是在猴子大腦中發(fā)現(xiàn)的，由此也可推論人的大腦也有多種關(guān)于記憶的神經(jīng)回路。

用于進(jìn)行研究的猴子可以對(duì)物體的顏色和物體運(yùn)動(dòng)的方向產(chǎn)生反應(yīng)和認(rèn)知，這兩種認(rèn)知可能涉及大腦不同的神經(jīng)回路，需要隨時(shí)切換，才會(huì)有兩種不同的認(rèn)知。在試驗(yàn)中，研究人員讓猴子認(rèn)知物體的顏色和運(yùn)動(dòng)方向并在兩種行為之間互相切換，與此同時(shí)測(cè)定猴子大腦額葉前皮質(zhì)不同位置產(chǎn)生的腦電波。

腦額葉前皮質(zhì)是思維和決策產(chǎn)生的部位，當(dāng)思維產(chǎn)生和做決策時(shí)，這些部位神經(jīng)元產(chǎn)生的腦電波會(huì)有節(jié)律地波動(dòng)，只要測(cè)試這些腦電波就可以知道大腦這些部位是否在活動(dòng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)猴子對(duì)物體顏色的判斷切換到對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的方向產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)，猴子大腦這一部位神經(jīng)元產(chǎn)生的振動(dòng)頻率會(huì)明顯變高，即產(chǎn)生β波。大腦功能的切換既要依賴神經(jīng)回路，也要依賴貯存于神經(jīng)元中的記憶，以做出判定。

所以，研究人員推論，猴子的大腦在不同規(guī)則和想法之間來回切換的時(shí)候，它們有不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換和協(xié)調(diào)。

對(duì)海馬體的新認(rèn)識(shí)

在記憶機(jī)理方面，另一些研究人員還觀察到海馬體在此之前不為人知的一些奧秘，這些奧秘可能會(huì)改變?nèi)藗儗?duì)記憶形成和機(jī)理的固有看法。

顯然，神經(jīng)元的活動(dòng)才是記憶的基礎(chǔ)，因?yàn)椋幢闶怯洃浳镔|(zhì)也是在神經(jīng)元中產(chǎn)生的并與其他神經(jīng)元聯(lián)系而形成神經(jīng)回路，由此才會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)或短時(shí)記憶?，F(xiàn)在，研究人員對(duì)小鼠大腦海馬體的研究發(fā)現(xiàn)，海馬體新產(chǎn)生的神經(jīng)元可能是正常學(xué)習(xí)和記憶過程的關(guān)鍵。

以前的研究已經(jīng)證明，新生神經(jīng)元與成人現(xiàn)有的大腦中的神經(jīng)元會(huì)組成連接。為了幫助確定新生神經(jīng)元的作用，研究人員通過光基因技術(shù)控制小鼠海馬體中的新生神經(jīng)元，測(cè)試它們的功能。結(jié)果證明，新的神經(jīng)細(xì)胞會(huì)加深對(duì)恐懼的記憶，同時(shí)加強(qiáng)空間定位記憶。這一研究也證明，成年小鼠的大腦海馬體可以產(chǎn)生新的神經(jīng)元。

還有一些研究證明，即便人成年后，大腦也會(huì)產(chǎn)生新的神經(jīng)元。至于成人大腦的海馬體是否會(huì)產(chǎn)生新的神經(jīng)元，還需要研究來證實(shí)。一旦能證實(shí)，說明成人的記憶也可得到加強(qiáng)，而且可以產(chǎn)生新的治療老年性癡呆的方法或技術(shù)。

美國(guó)加州大學(xué)的安內(nèi)瑟等人對(duì)一名稱為H.M.的癲癇病人的大腦解剖也獲得了新的發(fā)現(xiàn)。

H.M.生于1926年，他在10歲時(shí)開始出現(xiàn)輕度癲癇，到了15歲時(shí)發(fā)展成嚴(yán)重癲癇。當(dāng)時(shí)對(duì)H.M.治療的抗驚厥藥物不太管用，于是醫(yī)生在他27歲時(shí)（1953年），對(duì)其做了神經(jīng)外科手術(shù)，將其大腦中海馬體的一部分切除。這次手術(shù)對(duì)治療H.M.的癲癇有較好的療效，癲癇發(fā)作的頻率減少，但由于切除了部分海馬體，H.M.的長(zhǎng)期記憶嚴(yán)重喪失。20世紀(jì)90年代對(duì)H.M.拍攝的腦成像圖片證實(shí)，他的海馬體大部分已被切除。

2008年H.M.去世，安內(nèi)瑟等人對(duì)H.M.的大腦做了切片，并創(chuàng)建了其大腦病變區(qū)域的一個(gè)三維模型。研究人員用這些模型與H.M.還活著時(shí)所做的成像圖片進(jìn)行對(duì)比，卻發(fā)現(xiàn)H.M.的海馬體相當(dāng)大一部分實(shí)際上還保留著。現(xiàn)在，這一研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表。

這個(gè)結(jié)果提示，要么是海馬體的神經(jīng)細(xì)胞有新生能力，要么是海馬體的某些區(qū)域在記憶中所起的作用需要重新評(píng)估。海馬體的神經(jīng)細(xì)胞的新生不僅對(duì)記憶有重要作用，還可以治療抑郁癥、老年性癡呆等疾病。因?yàn)楹ｑR體與記憶有關(guān)，也與情感有關(guān)。

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