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記憶是如何儲存的

2014-04-08
記憶儲存,大腦,神經突觸
記憶是如何儲存的?
2012-02-21 12:13 作者:袁越來源:三聯生活周刊
記憶儲存大腦神經瘋牛病
記憶的儲存方式,竟然和瘋牛病有點關系。
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記憶是大腦的核心功能?茖W證明,記憶儲存在神經突觸(Synapses)之中。神經突觸是神經細胞之間唯一的連接方式,當外界信息進入大腦后,首先被改變的就是神經突觸附近某些特定蛋白質的種類和數量,并由此引發了突觸連接方式和連接強度的改變,這一改變被固定了下來,記憶便形成了。

記憶儲存 大腦 神經突觸

這個模型的問題在于,受外界信號影響而發生改變的那個蛋白質壽命極短,通常幾天時間內就會被分解掉,可記憶卻能夠儲存一輩子,這是怎么回事呢?來自美國斯陶爾斯醫學研究所(StowersInstituteforMedicalResearch)的考斯克·斯伊(KausikSi)教授及其團隊通過一個精妙的實驗,為這個難題提供了一個合理的解釋。

令人驚訝的是,這個答案還和瘋牛病有點關系。

現在大家都知道,瘋牛病是一種能讓牛發瘋的傳染病。但過去幾乎沒人敢相信這是一種傳染病,因為傳染因子不含DNA或者RNA這類遺傳物質,而是純的蛋白質,太不符合常識了。后續研究發現,瘋牛病的傳染因子是一種罕見的、能夠自我復制的蛋白質,科學家稱其為普里昂(Prion)。簡單來說,牛腦內存在兩種組分相同但結構不同的普里昂分子,結構A為正常狀態,結構B為非正常狀態,處于B狀態的普里昂分子能把A轉變成B,轉變后的B再去改造下一個A……經過一連串反應后,所有的A都變成了B,瘋牛病就來了。

為了便于理解,可以把A想象成一個普通紙板,B則是一個已成型的雞蛋盒。當B壓在A上面時,會把A壓成一個凸凹有序的雞蛋盒B。若干個雞蛋盒互相套在一起,形成的一串雞蛋盒在化學術語上被叫做低聚物(Oligmer)。在瘋牛病的例子里,這種疊在一起的雞蛋盒是有害的。在外人看來,B型普里昂就相當于一個具有傳染性的病原體,當B進入健康牛腦后,會把其中的A型普里昂轉變成了B型,最終形成的低聚物破壞了牛腦,讓牛發了瘋。

再回到記憶儲存的話題。斯伊教授很早就發現,一種類似于普里昂的蛋白質很可能參與了記憶的儲存過程,但一直沒有確鑿的證據,這次他們終于在果蠅身上找到了答案。原來,果蠅神經系統內有一種名為Orb2的蛋白質具備普里昂的一切特征,它既可以單獨存在,也可以轉變為另一種特殊的(雞蛋盒)結構。一旦發生后一種情況,它便誘導周圍的正常Orb2蛋白質發生同樣的轉變,最終形成一串Orb2低聚物。這種低聚物長短不一,結構非常穩定,不易被分解,可以在果蠅體內存在很長的時間。

研究人員首先測量了Orb2低聚物的分布和濃度,發現它和神經刺激存在很強的相關性,哪里有刺激,哪里就會出現低聚物,刺激越強,低聚物的長度就越長,因此也就越穩定。接下來,研究人員篩選出一種基因變異的果蠅,其Orb2蛋白質發生了一個細微的變化,沒法再形成低聚物了。這種果蠅體內的Orb2單體濃度和正常果蠅沒有差別,但卻失去了長期記憶的能力。

也許有人會問,果蠅還有長期記憶嗎?答案是肯定的。舉例來說,雄性果蠅如果遇到一只已交配過的雌蠅,一開始仍然會做出求偶動作,但幾次之后它就吸取了教訓,不再浪費時間了。這種記憶力通常能維持好幾天,但Orb2突變果蠅的記憶只能維持24小時,48小時后它便忘記了,又重新開始徒勞地追求那只雌蠅。

斯伊教授將研究結果寫成論文發表在今年2月3日出版的《細胞》(Cell)雜志上。該文指出,記憶之所以能長期儲存,就是因為動物的神經系統中存在著一類與普里昂非常類似的蛋白質,能夠在沒有DNA或者RNA的情況下做到自我復制,從而將自身特性一直延續下去,并指導神經細胞維持某個特定的突觸連接方式。這類“自補型”蛋白質統稱為“胞漿多腺苷化元素綁定蛋白”(CPEB),果蠅中的Orb2就是其中的一種。

有趣的是,這個實驗不但為記憶的儲存方式找到了一個合理的解釋,而且還為很多神經系統疑難雜癥找到了一個合理的病因。事實上,大家熟悉的阿爾茲海默氏病、帕金森氏癥、亨廷頓氏癥和克雅病等等神經性疾病都與某個普里昂蛋白的失控傳播有關系。也許正是由于記憶的需要,使得人類的大腦為普里昂蛋白的傳播提供了一個肥沃的土壤,最終導致了這類疾病的蔓延。


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