动物脑中的“长期记忆元件”

动物脑中的“长期记忆元件”

动物的记忆是神经系统发展出来的一种储存信息的机制,有了记忆,动物才能从过去的经验中学习,以便指导将来的行动,例如识别环境中的有利因素和有害因素,区分食物和毒物、朋友和敌人、猎物和捕猎者,从而能够做出趋利避害的行动,这对动物的生存是绝对必要的。高等动物还可以通过记忆学习生活的技巧,人类的语言和知识的学习更是离不开记忆。

有的记忆只保留比较短的时间,叫做短期记忆,例如用刚获知的一个新电话号码打电话,打完电话后这个号码很快就被忘记了。有的记忆却可以保留很长时间,甚至可以保留终身,称为长期记忆,例如收到大学录取通知书的时刻,求爱成功的时刻等生活中的重大事件。但是在过去很长一段时期内,记忆的机制,特别是长期记忆的机制,却是一个谜。

任何长期记忆,包括脑内和脑外的记忆,都需要能够在相当长的时期内保持某种特性的物质。早期人类用结绳的方式记事,绳子被打结的方式就代表信息,是可以长期存在的。在石头上刻符号,在竹片和木片上刻划或书写符号,在钟和鼎上铸字,后来在绢上或纸上书写,都是在脑外储存信息的方式。大规模的脑外信息储存需要现代技术。例如在计算机的磁盘中,信息是以磁性材料的磁化状态来储存的。磁盘上不同的点磁化的状态不同,构成“0”和“1”这两种信号,再由这两种信号的排列方式记录信息。磁性材料被磁化后,其状态可以在计算机断电后仍然存在。在光盘中,激光将光盘表面“烧”出许多小坑,这些小坑就是记忆信息的单位。在上面所有的例子中,信息材料的状态都是可以在脑外长期保留的。

但是对于动物来说,要在脑内形成长期的信息储存,却是一个难题。动物,和所有生物一样,是一个动态系统,细胞中的成分,包括各种蛋白分子,是不断被更新的,“寿命”从几分钟到几天。许多神经细胞虽然可以终生不死,里面的分子却也是不断被更新的,要在分子不断更新的环境中长期保留信息,似乎是一项不可能完成的任务。但是动物用非常巧妙的方式解决了这个难题,这就是让一种蛋白分子形成稳定的结构,因而可以长期存在,形成“记忆元件”,而且这个元件还一直能够在长期记忆中发挥作用。

在介绍这种蛋白分子之前,我们先看看动物的短期记忆是如何形成的。高等动物的脑结构太复杂,不容易在这样的脑中去研究记忆机制,最好选择一种不太复杂,又能够形成记忆的动物,这就是海洋中的一种软体动物,叫做海蜗牛(Aplysia)。海蜗牛的外形像无壳蜗牛,但又比蜗牛大得多,可以长到75厘米,体重可以达到7公斤。它头上的两个触角既像蜗牛的触角,又有点像兔子的耳朵,所以又叫海兔。之所以选择海蜗牛来研究记忆机制是因为它的神经系统比较简单,只有约20,000个神经细胞,聚集为10个神经节。海蜗牛用作实验动物的另一个优点是它的神经细胞特别大,可以达到1mm,肉眼都可以看见,对于实验操作比较方便。

海蜗牛能够学习,即能够形成条件反射。刺激海蜗牛的吸水管,例如用水流冲击或者尼龙丝触碰时,海蜗牛会将这个刺激当作危险信号而将鳃缩回以避免伤害,叫缩鳃反应。如果在刺激吸水管时又给其尾部一个电击,缩鳃反应就更加强烈和持久。这样经过训练以后,在吸水管单独受到冲击时鳃收缩的时间也比没有经过条件反射训练的海蜗牛长许多,说明海蜗牛已经把吸水管受到刺激和尾部电击联系起来,相当于是“记住”了电击的感觉。科学家就是利用海蜗牛的这个记忆能力,来研究记忆形成的机制。

缩鳃反应和电击的作用都需要信号在神经细胞之间的传递。神经细胞的信息输出是通过细胞发出的1根纤维,叫做“轴突”(axon)的结构来实现的。轴突从细胞发出后,反复分支,这些分支的终端膨大,附着在其它神经细胞上,叫做“突触”(synapse)。其它神经细胞上与突触相对的区域也有特殊的结构,叫“后突触”(postsynapse)。轴突和后轴突之间有很窄的间隙,信号从轴突到达突触时,突触分泌出信号分子,叫做神经递质(neurotransmitter),神经递质分子通过扩散到达后轴突,结合在那里的受体分子上,就可以把信号从第一个神经细胞传递到第二个神经细胞中去。

在上面的实验中,感觉吸水管被触动的神经细胞(神经细胞1)通过突触把信号传给控制肌肉收缩的神经细胞(神经细胞2),就能实现缩鳃反应。感觉尾部电击的神经细胞(神经细胞3)发出的突触不是连在神经细胞2上,而是连到神经细胞1与神经细胞2接触的突触上,形成“突触上的突触”。在尾部受到电击时,神经细胞3会在其轴突上释放一种神经递质,叫做血清素(serotonin)。血清素能够激活神经细胞1突触内的信号传递系统,使得神经细胞1突触膜上的钾离子通道磷酸化(在蛋白分子上加上磷酸根),使突触内钾离子流向突触外的过程受到阻碍,使得神经细胞1的动作电位更强和维持更长时间,让更多的神经递质谷氨酸盐被释放到突触间隙中,增强神经细胞2的反应,使得缩鳃的程度更强,时间更长。不用电击,直接在细胞神经细胞1的突触上施加血清素,也有同样的效果。

功能增强的神经细胞1的轴突能够自己维持增强状态一段时间,在这段时间内,即使没有受到电击,触动吸水管时神经细胞1发给神经细胞2的信号都比以前要强,好像尾部也受到电击一样,总的效果就好像是海兔“记住”了尾部电击的事件,或者说尾部电击的信息以神经细胞1轴突增强的方式被储存起来了。

这个结果告诉我们,记忆需要信号通路上突触的强化。在高等动物中,记忆也是通过同样的机制形成的。小鼠经过学习(例如学习在水迷宫中记住游走路线),与该记忆有关的神经通路上突触的功能会增强。换句话说,记忆就是与某种信息传输有关的神经回路得到强化,该回路使用得越多,强化程度越高。我们要记住一个生词,需要反复阅读使用,就是这个道理。这个过程有点像人在草地上走过时踩出的路径,在这条路上走得越多,踩出的路就越明显,踩出的道路就是我们在这条路线上行走的记忆。如果有一种机制使得这条通路重新被激活,这条通路上的信息就会重现,也就是回忆起过去的经历了。

一次电击所造成的神经细胞1的突触强化只能维持数分钟,为短时记忆。短期记忆只需要将一些现成的蛋白(例如上面说的钾离子通道)磷酸化,因此不需要合成新的蛋白质。在蛋白的磷酸化状态被消除之后,一切又恢复到强化前的状态。

但是如果条件反射训练(例如在刺激吸水管的同时在尾部进行电击)被重复多次,神经细胞1的突触就会被长期强化,可以保持一个星期以上,变为长期记忆。长期记忆涉及突触结构和成分的改变,需要新的蛋白合成。这就需要神经细胞1启动与突触强化所需要的基因(为蛋白质中氨基酸序列编码的DNA序列),将这些基因的信息转移到信使核糖核酸(mRNA)分子上,再由mRNA指导蛋白质分子的合成。

但是要这样形成长期记忆,有两个问题需要解决。一是突触的长期强化需要一个长期存在的信号,即使尾部再也不受到电击时这个信号仍然存在,而细胞内的蛋白是不断被更新的,用什么办法保持长期信号?第二个问题是,启动基因,合成mRNA的过程是在细胞核中进行的,而一个神经细胞可以发出多个突触与别的神经细胞联系,理论上这些新合成的mRNA分子可以被运输到所有这些突触中去,使得神经细胞1所有的突触都被强化。而在上面的例子中,只有神经细胞1与神经细胞2联系的突触才被强化,这又是怎样做到的?

海蜗牛使用的办法,是在这些mRNA合成后,虽然被运输到神经细胞1所有的突触中去,但是并不会直接被转译成为蛋白,而是处于休眠状态,所以得到这些mRNA分子的突触并不会被强化,只有当这些mRNA分子在结合一种叫“细胞质多腺苷酸化序列结合蛋白”(cytoplasmic polyadenylation element binding protein,CPEB)的蛋白分子后,才会被转译为蛋白质。

巧妙的是,CPEB蛋白单体并没有这样的功能,只有在改变空间结构并且形成聚合物时,才具有使休眠的mRNA被转译为蛋白质的功能。CPEB在神经细胞中的浓度很低,但是在神经细胞1与神经细胞2连接的突触处,来自神经细胞3的连续的血清素刺激会使CPEB在这个突触处的局部浓度升高,这个浓度升高使得CPEB改变分子结构,形成聚合物,这就保证了为长期强化突触所需的mRNA只在已经被短期强化的突触中被转译为蛋白质。

CPEB改变结构后形成的聚合物还是高度稳定的,甚至在10%的十二烷基磺酸钠(SDS,一种强去垢剂,能够破坏蛋白质分子的空间结构)中被煮沸5分钟也不会解聚。这种形式的CPEB也就不会像其它蛋白分子那样很快被代谢掉,而是能够在突触中一直存在,作为长期记忆的“元件”,这就是长期记忆的秘密。我们能够终身记住一些事件,靠的就是CPEB蛋白聚合物的稳定性。这些实验是由奥地利裔的美国科学家Eric Kandel完成的,他也因此被授予2000年的诺贝尔生理或医学奖。

海蜗牛利用CPEB蛋白来形成长期记忆的机制是如此巧妙,同样的机制也被果蝇,甚至哺乳动物所使用。果蝇脑中的Orb2蛋白和海兔的CPEB蛋白高度相似,也能够形成CPEB蛋白那样的聚合物,而且也是这样的聚合物才能使突触中的mRNA转译为蛋白质。由Orb2蛋白形成的聚合物也高度稳定,能够在SDS溶液中煮沸而不会解聚,所以也是长期记忆的理想“元件”。敲除果蝇的Orb2基因,就会影响果蝇的长期记忆,说明Orb2蛋白的确为果蝇的长期记忆所需。

小鼠脑中有多种CPEB蛋白,其中CPEB3蛋白也和海兔的CPEB蛋白高度相似,也能够形成CPEB蛋白那样的聚合物,而且这样的聚合物才具有使mRNA转译为蛋白质分子的功能。小鼠经过学习过程(例如水迷宫、电击所引起的恐惧等)后,与记忆密切相关的海马区(hippocampus)CPEB3的聚合物增多,与小鼠形成长期记忆相符。敲除小鼠海马区的CPEB3基因,小鼠的长期记忆就受到损坏,但是短期记忆和行为不受影响。这些事实都说明,从低等动物海兔、果蝇,到哺乳动物,神经系统形成长期记忆的机制都是一样的,都以蛋白质的特殊聚合物作为长期记忆的“元件”。这些例子再次表明了动物的灵活和“聪明”,能够发展出特殊的方式来为自己的记忆功能服务。