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诺奖得主对记忆机制的颠覆性发现

作者:阿默科技发表时间:2018-01-15

大脑会同时产生多个记忆拷贝,不过长期有效的那个拷贝一开始并不被我们的意识所察觉。 



一走进麻省理工学院 Picower 学习记忆研究所,利根川进便会立刻引起你的注意。一张 3 英尺高装裱过的利根川进的肖像挂在高顶大堂的正中间,周围彩色的荧光屏循环播放着他近期的研究进展。

 

然而照片中的男人本身其实是非常低调的。大多数日子里,他都舒服地坐在 Picower 大楼第五层密集的实验室和办公室丛林之中。照片中又黑又密的头发如今露出微微的银白色。今天,一件有些许褶皱的蓝色开衫代替了照片中那套无可挑剔的西装。令人舒服的行为举止和柔声细语掩盖了他教科书粉碎者的形象——至少,他是一个底牌深藏不露的扑克玩家。

 利根川进在 MIT 的办公室  来源:Tonegawa Lab

 

如今,利根川进正在和他麻省理工学院的同事,神经科学家迪拉吉·罗伊(Dheeraj Roy)等一起颠覆脑科学领域的一些基本假设。今年上半年,他报道了记忆的存储和提取是通过两条截然不同的神经环路实现的,而并非一直被认为的同一条。他的团队还发现对一个事件的记忆是在大脑负责长时记忆(long-term memory)和短时记忆(short-term memory)的不同脑区同时形成的,并不是先在一个脑区内形成短时记忆随后再转移到另一个脑区形成长时记忆。利根川进实验室最近的、也最令人叹为观止的发现,是当下无法被唤起的记忆也许有一天可以重新被我们的意识所觉察。

 

如今在麻省理工学院 Picower 研究所担任生物和神经科学教授的利根川进,早在上个世纪 80 年代就为自己赢得了特立独行的名声。在瑞士的巴塞尔(Basel)免疫学研究所任职时,他发表了一个初看极端怪异,而后却被视为伟大学说的理论——免疫细胞能对自己的 DNA 进行重组,从而通过为数不多的基因,产生上百万结构功能各异的抗体蛋白。他的发现为他赢得了 1987 年的诺贝尔生理学奖,也因此在麻省理工学院的大厅中为自己那副巨大的画像赢得了一席之地。许多研究者在取得了这种成就之后会留在这个领域,享受荣誉带来的关注,但是利根川进却彻底离开了免疫学。他在随后的几十年中重新把自己塑造成为一位从细胞层面研究记忆的神经机制的大师。

 

尽管利根川进有非常高的学术造诣,但他绝不是一个在 TED 论坛上滔滔不绝的讲演者,更不是一个想出一堆初创公司概念的人。他更喜欢让他的数据说话,而不是营销自己的想法和个人魅力;他的研究数据确实十分掷地有声,甚至超过了一些同僚想要的程度。“他不停地否认现有观点并且进行创新的风格令人震撼,”多伦多病童医院同样研究记忆形成的神经科学家希娜·罗瑟琳(Sheena Joselyn)说,“他只挑战最难的问题,简单、意料之中不是利根川进的菜。”

 

在细胞中追踪记忆

 

见到利根川进的时候,我感到他把名声看做了自己职业生涯的一个小负担。我拜访他办公室的当天,他正与同事沉浸在一段有趣的学术漫谈中。他恋恋不舍地中断了那段谈话,显得有些不情愿地开始向我回顾他一路走来的故事。他告诉我,早年那一整段关于免疫学的小插曲,只是一个小意外——他真正的热情一直都是分子生物学,而免疫学只是这门学科各种迷人的展现形式中的一种。他最终去了巴塞尔研究所主要是因为他的美国工作签证过期了。“我对免疫学的兴趣只是昙花一现,”他说。“我想要做一些不一样的事情。”

 

那个“不一样的事情”就是神经科学,这是门被 DNA 双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和其他知名的生物学家吹捧成为未来的潮流的学科。在 1980 年代晚期到 1990 年代早期这段时间中,科学研究者对大脑功能的分子和细胞机制的了解极其有限,而没有比探索未知的疆土更加吸引利根川进的了。

 

但利根川进对脑科学领域的探索并非是完全的从头开始,因为他将自己的科研技能延续到了这个新的领域。在他的免疫学研究中,他曾使用过转基因(基因修饰过的)小鼠,敲除特定的基因而后观察其造成的生理学影响——他也使用了类似的手段来探索学习和记忆的生物学基础。在麻省理工学院一项早期的研究中,他培育了一种小鼠品系,使动物缺失了一种被认为对巩固长期记忆有重要意义的酶。尽管缺少这种酶的小鼠行为看起来和正常小鼠无异,但进一步的检测发现这些小鼠有空间学习障碍,这一结果肯定了该酶在这个生理过程中的关键作用。

 

在这个极具影响力的发现之后,利根川进在脑科学的研究进展一发不可收拾。大约 10 年前,他利用光遗传的手段将他研究的精确度提升到了一个新的高度。这项技术由斯坦福大学的生物工程师卡尔·戴塞尔罗斯(Karl Deisseroth)等研发,通过修饰实验动物的基因使其细胞可以表达一种从绿藻中提取的、对光敏感的蛋白——光敏感通道蛋白(channel rhodopsin)。随后,研究者就可以通过光线照射来激活这些细胞。这样利根川进和他的同事就能使用光遗传的手段,在特定的脑区根据研究需要激发神经活动。

 

这项技术让利根川进证实了关于记忆形成和储存的现有理论是错误的,至少,是不完善的。今年夏天,他和罗伊以及其他的同事一起站在了神经科学领域法则的对立面,报道了在被称为海马(hippocampus)的脑结构中,产生记忆的神经环路并非事后进行回忆的神经环路。相反,重拾一段记忆需要海马下托(hippocampus’s subiculum)中的另一条被科学家称为“迂回环路”(detour circuit)的神经环路,它与负责记忆形成的主要环路是泾渭分明的。

 

罗伊从实验室里拿了一张放大的脑切片的显微成像图(见下图)来为我解释这项发现。“你看到的是小鼠的海马区”,他说。他指向右上方一团发出绿色荧光的海马下托神经元,并解释说他的团队通过基因工程技术仅让这块脑区的神经元合成光敏通道蛋白。之后,他和他的团队就可以通过光纤维发射的激光来激活或者沉默这些下托神经元,不干扰周围神经细胞的活动。

 研究发现,海马神经元(红色)对新记忆的形成是必要的,但负责回想记忆的是海马下托部分的神经元(绿色)。来源:Dheeraj Roy/Tonegawa Lab, MIT

 

有了这种生物开关之后,研究者开始观察结果。令他们惊讶的是,在下托神经元被关闭的时候,经过预处理对特定的笼子会感到害怕的小鼠不再表现出恐惧了。这些小鼠无法重拾他们的恐惧记忆,也证实了回想一段记忆需要海马下托的正常功能。但是,如果研究者仅仅在进行恐惧学习的预处理时“关闭”海马下托神经元,之后小鼠可以毫无障碍地记起这段恐惧记忆。因此,一定是海马区的另一块不同的区域负责编码记忆。类似的,当研究者关闭或开启主要的海马神经元环路时,他们发现只有记忆的形成而非回想受到了影响。

 

为了解释为什么大脑会使用不同的环路来编码记忆的形成和回想,罗伊将其解释为一种权宜之计。“我们认为这些并行的环路能帮助我们快速地更新记忆。”他说。如果相同的海马环路被同时用作储存和取回,编码一段新的记忆将需要几百微秒。但是如果一条环路添加新的信息、另一条环路可以同时提取类似的记忆,那就有可能将过去的经验知识更快的用于处理当下的情况。“现在你可以只用几十微秒的时间完成更新。”罗伊说。这些差别在生死攸关的情况下可以说是至关重要的,几百微秒的差别可能意味着从捕食者的爪下逃走或成为其晚餐。这种并行环路的模式还可以帮助我们极快地整合新信息和过去的记忆:例如,和你的朋友张三的一段新的谈话可以被立刻添加到关于张三已有的记忆中。

 

重新发现记忆形成的机制

 

除了解释了记忆形成和回想之间机制上的差别,利根川进、罗伊和他们的同事北村隆(Takashi Kitamura)(这位教授最近已从麻省理工学院调到了德克萨斯大学的西南医学中心)也展示了记忆形成出乎意料的复杂程度。他们的研究涉及了在短时记忆转变成长时记忆过程中大脑的改变 [在小鼠实验中,短时记忆指的就是回忆起过去几天内发生的事情,有的时候也叫近期记忆,以便和更加瞬时的、仅存在几分钟到几小时的神经印记(neural impressions)相区别。长时记忆能保存两周甚至更久之前发生的事件记忆] 。

 

在过去的几十年中,神经科学领域最为广泛接受的记忆模型,是首先立刻在海马区形成短期记忆,然后转移到前额叶皮层进行长期存储。但是利根川进的团队最近在《科学》上报道,新的记忆会在这两个脑区同时形成。

 

发现这一机制的过程可以追溯到 2012 年,那时利根川进的团队找到了一种能够标明大脑中一种可以储存特殊记忆的细胞,也就是印迹细胞(engram cell)的方法。他知道在小鼠接受新的环境信息输入时,大脑中特定的基因就会被激活。因此,他的团队把这些和“经验学习”相关的基因表达和光敏通道蛋白关联起来,这样在学习事件发生时被激活的神经元就会精确地点亮。“由此,你可以展示给别人那些细胞是真的储存着记忆的,”利根川进说,“因为如果你仅用激光重新激活那些细胞,这些动物就会做出与那段记忆相关的行为。”

 

 转染了光敏通道蛋白后,海马中的印记细胞发出绿色荧光,表示它们储存了一段短时记忆。来源  Dheeraj Roy, Tonegawa Lab/MIT

 

在这个团队最新发表的《科学》论文中,他们使用了上述的手段来建立一种拥有能响应光照的学习细胞的小鼠品系。他们将小鼠在一种特殊的笼子中饲养,给它们的脚部轻微的电击,让这些小鼠对这个笼子产生恐惧的记忆。一天后,他们将这些小鼠放回到这个笼子中,用激光照亮并激活那些储存了这段记忆的细胞。

 

正如期望中那样,与短时记忆相关的海马神经元响应了激光的照射。但是令人惊讶的是,一群前额叶皮层的神经元同样做出了响应。皮层的细胞几乎立刻产生了关于足部电击的记忆,远远早于前期预计的时间。

 

但是科学家注意到,尽管这些皮层神经元可以很早地被激光激活,但是它们无法在小鼠回到电击发生的笼子后自发兴奋。这些细胞被研究人员称为“沉默的印迹细胞”,因为它们储存了记忆但是不会对正常的回忆刺激讯号做出响应。但是在随后的几个星期里,这些细胞似乎逐渐成熟起来,并且成为重拾记忆的机制的必要部分。

 

 “这是一个动态的过程:海马印迹细胞最初被激活随后沉默,前额叶皮层的印迹细胞最初是沉默的但随后逐渐被激活,”利根川进说。这些对记忆储存更深一层的理解可以为研发帮助新记忆形成的药物指引方向。但是有一些神经科学领域的人认为应该更加小心谨慎地解释这种研究成果的意义。去年,利根川进在麻省理工学院的同事安德利·鲁登克(Andrii Rudenko)和蔡立慧(Li-Huei Tsai)强调说,印迹细胞仍然是一个全新的科学领域,我们既不知道它们究竟如何相互协作,也不清楚哪些细胞储存着哪一部分的记忆。“在目前关于功能性印迹细胞的早期研究中,”他们写道,“仍有许多重要的问题没有令人满意的答案。”

 

根据约瑟琳所说,利根川进曾断言大脑中存在着可能会被外界因素激活的沉默的印迹细胞——许多神经科学家认为这是一个毫无根据的观点,而其他人却为此而感到激动不已。“这个论断事实上强迫整个科学界要么更新我们的思维模式,要么进行实验尝试去推翻它,”约瑟琳说。

 

唤醒沉默的记忆

 

尽管不确定的迷雾还围绕着沉默印迹细胞,但这个概念为我们提供了一个迷人的愿景:拥有获取隐藏记忆的未来。这个未来,正是罗伊在努力探索的。10 月,他和利根川进发表了一篇文章引起了科学家和非科学家的一阵兴奋。这篇文章中的一个重大发现是,至少在小鼠中,不用光纤和激光来唤醒沉默印迹细胞是可能实现的。

 

罗伊说,他们的团队一直在好奇,能否使隐藏的记忆在不进行侵入式手术的前提下永久地被激活。有一种名为 PAK1 (α-p-21–activated kinase 1)的细胞蛋白能够刺激负责神经元间信息交换的树突棘(突起)的生长,罗伊有预感这种蛋白被转运进神经元细胞后,可能可以将沉默的记忆印迹带回到直接的意识层面。“我们可以人为地上调某个能够增加这些树突棘数量的基因表达吗?”他问,同时又激动地回答说这个方法可能比光遗传更加简单。

 

为了检验这项任务的可行性,研究人员在给小鼠微弱的电击的同时抑制了小鼠产生巩固长期记忆的蛋白的能力。随后,当这些小鼠回到原先遭受过电击的笼子中时,它们没有表现出恐惧,这说明他们无法自然地凭借环境线索回忆起被电击的记忆。然而,激光仍然可以激活小鼠的恐惧反应,意味着这段记忆仍然以沉默印迹的形式存在在大脑中。

 

当这个团队对这些小鼠注射了 PAK1 基因使该蛋白过度表达之后,小鼠进入到曾遭受过电击的笼子中会立刻自发地全身僵直:它们靠自己唤回了关于这个笼子的记忆。也就是说,PAK1 使沉默印迹复活了。注射了 PAK1 后,罗伊说,“你只需要等待 4 天,它们就可以根据自然的线索回忆起记忆。”他又补充道,将来,注射 PAK1 蛋白分子并使其进入大脑记忆细胞中同样有可能可以唤醒人类的记忆。

 

 “所以仅仅用一种可注射的蛋白就可以办到吗?”我问道。

 

 “完全正确。一种搭载着一个蛋白质的分子运输器。人们已经有方法让蛋白质运输进脑细胞中。我认为我们离这个设想已经没有那么远了。”

 

想到我们的脑中有成百上千个沉默的记忆正等待着恰到好处的刺激来重新呈现在我们的意识中,让人觉得非常激动且不可思议。

 

如果罗伊的发现将来真的在人类身上实现,某一天重拾隐藏的记忆可能就会和打一针流感疫苗或者治疗感冒一样平常。“如果对正常人做这样的事会发生什么?什么东西会在脑海里重新涌现?”我问道。“那会是一种什么样的体验?”

 

 “这对我而言都已经非常科幻了,”罗伊说,“我的家人问我,‘这些都是真的吗?’我说,‘对啊,我又没有在骗你!’”

 

几分钟后,在利根川进的办公室,我又将差不多类似的问题向他问了一次。重新激活沉默的记忆印迹可以让例如阿尔兹海默患者、经历过爆炸冲击的军人、在激烈的近身比赛中脑震荡的运动员重获已经无法记起的记忆。(值得强调的是,这些人需要尽早接受这样的治疗,以防他们的病情加重以及过多的脑细胞萎缩死亡。)罗伊和利根川进过往的研究暗示了患有认知能力障碍的人可能储存了许多记忆,他们仅仅无法回忆起来而已。但是如果像我们这样的普通人,只是想要搜寻自己的记忆,看看有什么埋藏在下面呢?

 

利根川进停顿并思考了一下。“这些沉默的记忆可能都会重新出现,”他说,“如果你人为的增加了树突棘的密度,注射可以促进它们形成的酶,那么这些沉默的印迹就可能会转变成活跃的印迹。”

 

尽管我进一步追问,他还是流露出一丝谨慎。他似乎习惯听到像我这样的人幻想各种可能性,并想要降低我的期望值。尽管他的实验室成功地在几天内重新激活了小鼠的沉默印迹,他说这不能保证这些沉默印迹能够存在非常长的时间。一旦编码某一段记忆的细胞因为衰老或者痴呆而凋亡,一切可能就全部结束了,无论你再注射何种蛋白都没用。利根川进指向坐在他对面的罗伊,“那时候我就记不住他的名字了。”

 

他似乎开始对这段谈话失去耐心。我能感觉到,他心里有个唱反调的意志想要向大家宣布说他只是一个对事物本真特质好奇的人,并不愿追求药物专利、快速疗法、甚至是关于完美回忆的美好期望。“给你讲个笑话,”他很神秘地说,“我拥有一个外接大脑,不用注射蛋白或者基因。”他再次指向罗伊,这个他所依靠的、能帮他记住他无法记住的事情的人。“我要做的唯一的事情就是和这个人保持好关系。”他解释说。某种程度上,听到他这么说让人感到欣慰:这个追踪并解码记忆的魔法师同样相信没有任何一颗大脑是一座孤岛。他说,“不用去记住任何事,当然更好。”

 



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