人們把原因歸咎於醫生切掉的海馬體,這也是我們首次瞭解這塊大腦區域對於記憶的不可或缺性。但是,長期記憶究竟是怎麼形成的呢?

近日,哈佛醫學院的科學傢們嘗試回答瞭半個多世紀前的這一謎題,研究結果發表在頂尖學術期刊《自然》上。

讓我們把時鐘回調到1986年。當時,本研究的通訊作者Michael E。 Greenberg教授剛剛來到哈佛大學。在一項研究中,他與合作夥伴們發現,一旦一個神經元被激活,就會在很短時間內開始表達一個叫做Fos的基因。

盡管Fos基因編碼瞭一個轉錄因子,但科學傢們並不知道它的具體作用,隻是把它當作一個神經元激活的標志物在使用。

知名神經生物學傢Michael E. Greenberg教授(圖片來源:哈佛醫學院官網)

知名神經生物學傢Michael E。 Greenberg教授(圖片來源:哈佛醫學院官網)

Fos的表達模式表明,它非常有可能參與瞭神經元的某些功能,從而影響到我們的學習和記憶能力。為瞭測試這個想法,本研究裡,科學傢們將小鼠放置在新環境中,評估其海馬體主要神經元的活性。奇怪的是,接觸到新環境後,表達Fos基因的神經元並沒有集中在一起,而是分散在各處。這也能影響記憶的形成嗎?

後續的研究證實瞭這一點。在抑制這些神經元產生Fos後,小鼠果然展現出明顯的記憶缺陷,困在迷宮中難以脫身。這也表明,表達Fos的神經元,的確參與瞭記憶的形成。

接觸到新環境後,表達Fos基因(紅色)的海馬神經元並沒有集中在一起,而是分散在各處(圖片來源:參考資料[2])

接觸到新環境後,表達Fos基因(紅色)的海馬神經元並沒有集中在一起,而是分散在各處(圖片來源:參考資料[2])

使用光遺傳學的方法,科學傢們激活瞭這些神經元周邊的其他神經元,發現它們會受兩類中間神經元的影響:一類傳遞過去的抑制性信號會增強,另一類則會減弱。如果神經元本身不表達Fos,就不會有類似的特性。

“這些中間神經元的重要之處在於它們可以調節Fos激活的神經元在何時放電,以及放電強度。此外,這些神經信號的發放與環路中其他神經元的關系也很重要。”本研究的第一作者Ee-Lynn Yap說道。她指出,Fos可能與特定環路的可塑性有關。

研究生Ee-Lynn Yap是本研究第一作者(圖片來源:哈佛醫學院官網)

研究生Ee-Lynn Yap是本研究第一作者(圖片來源:哈佛醫學院官網)

既然Fos是一個轉錄因子,研究人員自然而然想到去分析其控制的其他基因。利用單細胞測序等方法,他們找到瞭一個叫做Scg2的重要基因,它會影響抑制性的信號。如果小鼠的Scg2基因被沉默,那些激活瞭Fos的神經元,就會出現信號接受上的缺陷。相應地,小鼠與學習和記憶有關的腦電波同樣會出現問題。

具體來看,Scg2編碼瞭一個神經肽,會被切成四種不同的形式。研究人員指出神經元會利用這些神經肽,對中間神經元發來的信號進行微調。

綜合來看,科學傢們提出這樣一個模型:當接觸到新鮮事物後,海馬體內的一小簇神經元會同時表達Fos,激活Scg2基因,產生相應的神經肽。在接受到中間神經元發送過來的指令後,這些神經元會形成一個協調的環路。

“當海馬體的神經元被激活後,它們無需事先以特殊形式相連。中間神經元有非常廣泛的軸突分支,可以同時連接多個細胞並傳遞信號。這可能是這些分離的神經元連接在一起,編碼記憶的方式。” Greenberg教授補充說道。

本研究從分子的角度,提供瞭關於長期記憶形成的一個機制。無論是對於基礎的生物研究,還是記憶相關的疾病,都有重要的意義。畢竟由記憶串起的片刻,定義瞭我們的人生。

參考資料:

[1] Yap, EL。, Pettit, N.L。, Davis, C.P。 et al。 Bidirectional perisomatic inhibitory plasticity of a Fos neuronal network。 Nature (2020)。 https://doi.org/10.1038/s41586-020-3031-0

[2] How neurons form long-term memories, Retrieved December 9, 2020, from https://hms.harvard.edu/news/making-memories

Source: m.cnbeta.com