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【专题】追寻记忆的痕迹 之一 学习和记忆的储存假说

来源:guokr 作者:影歌 日期:2014-12-04 00:13:00 浏览:74

【看到很多人对学习记忆相关问题感兴趣,于是决定提前把这个专题放出来。这篇文章是几年前写的,刚刚进入学习与记忆的分子机制研究领域时,Erik Kandel对我的影响很大,所以做过好几个跟他有关的专题报告。这篇文章很长,是Kandel本人对自己获得2000年诺贝尔奖的工作的一个总结。他本人写的几本书我都看过,非常喜欢,也希望这篇文章里的内容能够解释一些非神经科学工作者们对于学习与记忆的疑问。

友情提示:本文专业性比较强,觉得太长看不动的朋友可以只看粗体部分,看不明白再看上下文~~~

进入21世纪,与认知神经科学相关的工作频频获得诺贝尔生理学或医学奖:2000年得主为瑞典科学家Arvid Carlsson,美国科学家Paul Greengard和Eric Kandel,他们在研究脑细胞间信号的相互传递方面获得了重大发现;2003年,美国科学家Paul Lauterbur和英国科学家Peter Mansfield获奖,他们在核磁共振成像技术上获得关键性发现,最终导致磁共振成像仪的出现,这一技术成为目前认知神经科学的最主要的研究方法之一;2004年,美国科学家Richard Axel和Linda Buck因对气味受体和嗅觉系统组织方式的研究中揭示了人类嗅觉系统的奥秘,而获得了诺贝尔奖。他们的获奖从一个侧面表明了认知神经科学作为生命科学的一个分支所占有的重要地位。

获得诺贝尔奖之后,Kandel于次年2001年在Science上发表了一篇名为《记忆储存的分子生物学:基因与突触的对话》的综述,以高度精炼的文笔描述了他从分子生物学的角度探索认知科学的历程。同时,他还写了一本自传性质的科普书——《追寻记忆的痕迹》,详细介绍了他的探索之旅。他的杰出工作不仅为我们带来了一条令人振奋的研究之路,他本人严谨的学术思想和不断提出问题的精神同时也给予着我们激励和启迪。因此,我在这里将他那篇名为“基因和突触的对话”的综述和《追寻记忆的痕迹》中相关内容整理下来,让我们一同回顾他那激动人心的发现之旅。

Eric Kandel在哈佛大学的本科念的并不是生物,而是文学史,但是对于精神分析方面书籍的阅读使他对于人类的精神世界产生了极大的兴趣,于是他毕业之后选择了医学院,进行医学方面的训练。在1955年,他来到了Harry Grundfest的实验室,从此正式开始了自己在神经生物学领域的探索。

学习与记忆长久以来一直是心理学和哲学的关注对象。所谓学习就是我们从经验中获得新知识的能力,而记忆则是随着时间的流逝不断的在大脑中保存这些知识的过程。但是,真正从分子和细胞的角度来研究学习过程才刚刚起步。在开始研究之前,Kandel给自己提出了两个问题:

当我们学习的时候,大脑中发生了什么变化?
一旦一种知识被学到,这些信息如何被保存在大脑中?

为了解决这两个问题,当务之急是找到一种根本性的还原论方法去研究学习与记忆。

一、一种根本性的还原论方法:无脊椎动物的一种简单学习行为

那个时候,对于H.M.病人的研究使人们逐渐认识到海马这个结构在短期记忆中的重要地位,因此那时对于记忆系统的大部分研究都集中在这个区域。Kandel所关注的问题是:

是否被认为是海马记忆储存中关键细胞的锥体细胞具有什么和其他大脑神经元根本性不同的电生理学性质?

随后的研究否定了这个问题:所有的神经细胞都具有相同的信号属性。

于是Kandel给自己提出了另外一系列问题:

那么海马的独特功能就应该是建立在这些锥体细胞之间的特殊联系上的,但是学习这一行为是如何影响它们的联系的?

一种学习任务中的感觉信息是如何到达海马的?

海马中拥有的这些信息又是如何输入并影响行为的?

要想解决这些问题,首要的任务是建立一个合适的动物模型作为研究对象。那个时候,利用脊椎动物来研究似乎是个热门,但是有很多技术上的难度。例如,脊椎动物海马的神经元非常多,环路十分复杂,即使记录到了合适的神经元电位,要精确定位这个神经元的位置以及在环路中的位置,依然是个难点。Alan Hodgkin和Andrew Huxley使用乌贼的巨大神经轴突进行研究,证明无脊椎动物同样可以作为理想的神经模型。尽管与当时科学界流行的看法相左,Kandel认为还是需要通过一种基本的还原论方法来研究学习与记忆存储的生物学基础:学习的生物学基础应该首先在单个细胞的水平上来进行研究,而且只有集中研究简单动物的简单行为才会最终取得成功。Sydney Brenner,一位曾把蠕虫(Caenorhabditis elegans)引入生物学的分子遗传学领军人物曾经这样写:“你所需要做的是找到一个能够解决科学问题的最好的实验对象,只要这个研究问题具有一定的普遍性,你必然会找到答案。选择一个恰当的实验对象是生物学研究头等重要的大师,在我看来,这其实也是开展创新性工作的最佳方法……这个世界的生物多种多样,所有生物都或多或少彼此联系,我们就是要找到最好的一个。”

经过半年多的认真考虑,Kandel最终将目标锁定在海兔(Aplysia)身上——这是一种巨大的深海蜗牛。海兔脑十分简单。它有20000个神经元,分别汇集为9个不同的神经集团,又称为神经节。每个神经节只具有少量的神经细胞,因为研究者可以将其受控制的独立的单个行为分离出来,进而研究由学习引发的特定神经细胞的改变。而且大部分神经细胞直径很大,有些肉眼即可见,方便观察与实验。

有了这样一个理想的实验模型,下一步就是寻找到一种适合学习研究的行为。即使是作为低等无脊椎动物的海兔,它的行为也是多种多样的。考察了海兔大量诸如进食、运动、喷墨、产卵甚至性行为之后,Kandel的研究小组认识到,这些行为都太复杂了,每个行为都涉及不止一个神经元。而实验需要的是一个非常简单的行为,它最好只受一个神经节支配。于是焦点被集中在海兔的腹神经节。首先,Kandel本人对于腹神经节非常熟悉,而且腹神经节虽然只含有2000来个神经细胞,却具备了心律、呼吸、产卵、喷墨、释放粘液以及缩腮和缩虹吸管等多种行为和功能。最终,Kandel锁定了一个最简单的行为:缩腮反射(gill-withdrawal reflex)。

腮是海兔的辅助呼吸器官。它位于外套膜(mantle shelf)围成的外套腔(mantle cavity)里。外套膜终止于虹吸管,后者是一个肉质的管道,负责将外套腔里的海水和废物排出去。轻微的触碰虹吸管诱发一个快速的防御性反射——虹吸管和腮迅速的缩到外套膜里。显然这个反射的作用是保护重要且脆弱的腮,使其免受可能的伤害。

在动物中存在这样三种非常普遍的行为学现象 :习惯化(habituation)指反复呈现一种无害的刺激后,动物和细胞都不再对该刺激产生反应。敏感化(sensitization)指有害刺激使动物和细胞变得敏感,对随后呈现的任何刺激(包括无害刺激)都产生强烈的反应。经典条件反射(classical conditioning)指有害刺激和无害刺激配对呈现多次后,动物和细胞对无害刺激产生同等强度的反应。

在海兔的缩腮反射中,即便是这个最简单的反射也能被习惯化和敏感化学习调控,而且这两种学习都能形成一个持续数分钟的短时记忆。反复触碰虹吸管将导致习惯化:动物逐渐学会识别这个无害刺激,反射强度逐渐降低。为诱发敏感化学习,我们向海兔的头部或尾部施加一个强电击,实验动物能够立即识别这个有害刺激,这时如果再轻触它的虹吸管,将诱发一个过激的缩腮反射。这就好像一个人在一个空旷的大街上行走,突然听到了一声剧烈的枪声,随后人肯定非常紧张,神经都绷得紧紧的,假如这时有人喊他一声或者在他肩头拍一下,这个人的反应必然非常强烈,这就是枪声所带来的敏感化作用。

同时,像人类的长时记忆一样,海兔的长时记忆也需要反复训练,间歇的休息也是必不可少的。连续给海兔呈现40个刺激会诱发习惯化,但缩腮反射的减弱只能持续一天。如果我们每天给它呈现10个刺激,连续4天,习惯化效应就能持续一周。训练中间穿插一些休息能促进长时记忆的建立。

通过深入研究海兔腹神经节神经环路中的特异性神经元,Kandel的团队提出了一些新的问题:

神经元之间的突触联系是否也是固定不变的呢?

某个细胞是否总是向固定的靶细胞发送信号呢?

在海兔的腹神经节中,虹吸管系统有24个感觉神经元,皮肤某点上的触觉刺激只激活6个神经元。这6个同样的感觉神经元将触觉信息传递给6个同样的运动神经元,继而触发缩腮反射。

这样就带来了另外一个问题:

学习行为是如何发生在这样一种精确连接的神经环路中的?

也就是说,学习之后产生的记忆究竟是储存神经环路中的什么地方?

关于记忆储存,长久以来一直有这样几种观点:
1984年,Santiago Ramon y Cajal认为,记忆储存在新生长的突触连接中。Karl Lashley和Wolfgang Kohler认为,学习导致电场和化学梯度的变化,进而影响到周围的神经元。
Alexander Forbes和Lorente de No认为,记忆动态的通过神经元之间的自我重兴奋链而储存起来。这同时也是Donald Hebb的观点。
Holger Hyden认为,学习导致了DNA或者RNA的基础组成的改变。

Kandel的研究发现,触碰海兔的皮肤激活感觉神经元,继而在运动神经元中诱发出一个强信号——一个大的突触电位,并导致运动神经元发放动作电位。运动神经元的动作电位触发了行为——也就是缩腮反射。反复触碰皮肤引起习惯化,缩腮发射幅度呈进行性加强,突触联系强度呈进行性衰减。相反,电击动物尾部或头部引起敏感化,缩腮反射幅度加大,突触联系强度增强。可以得出这样的结论:习惯化时,感觉神经元的动作电位在运动神经元中诱发出较小的突触电位敏感化时正好相反,感觉神经元的动作电位在运动神经元中诱发出更强的突触电位,从而提高了神经传递的功效。

通过配对电击和触碰虹吸管所引起的条件反射的海兔缩腮行为学实验,Kandel的小组发现,在经典条件反射中,无害(条件)刺激和有害(非条件)刺激的神经信号必须按照精确的时间刺激发生:必须先触碰虹吸管,然后立即电击动物尾部(前者预测后者的发生)。也就是说,感觉神经元的动作电位在先,尾部的神经信号在后。感觉神经元的动作电位和尾部信号总是按照这样的时序发生,感觉和运动神经元之间的突触联系才能得到强化。经典条件反射时突触联系强度的增加甚至超过了敏感化时增加的程度。

通过记录行为发生前后感觉神经元(突触前)和运动神经元(突触后)的变化,Kandel的发现验证了Cajal的假说:经验改变了已经存在的化学连接的强度和效率。也许遗传和发育因素只能通过先天形成的神经通道控制动物的行为潜能,而环境和学习能够改变神经通道的传递效能,从而带来新的行为形式。

通过还原法研究,Kandel总结出几条学习和记忆的细胞生物学原则
首先,突触联系强度的变化足以改变原有的神经网络结构及其信息加工能力。
其次,不同形式的学习可以以完全相反的方式改变两神经元间的突触联系——强化或弱化。
第三,短时记忆存储的时间长短取决于突触强化或弱化的时间长短。
第四,突触强度的调控方式分为同突触和异突触两种。

于是进一步的问题产生了:

练习是怎么起作用的?

当短时记忆建立时,其分子机制是什么?

为什么训练能够将短时记忆转变成为长期记忆?

从短时记忆到长时记忆的转变过程是否也发生在感觉细胞和运动细胞的连接处或者是发生在其他部位?

【后续的部分主要是分子生物学的内容,为避免一篇日志信息量过大,我会分几篇日志进行详细描述。

【下一篇:  追寻记忆的痕迹  之二 “短时和长时记忆的分子生物学"

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