互动科普

某些时刻能产生长久回忆，而其他时刻则消失了。这其中的原因，可能与塑造我们大脑形成过程的机制有关联。

在恐怖影片《记忆碎片》中，男主角Leonard能回忆起他头部受伤及其子被袭的那个夜晚之前所有的事情，但对那个夜晚之后遇到的人和做过的事则一片空白。他已然失去了把短时记忆转换为长时记忆的能力。Leonard试图找到杀害他妻子的凶手，为妻报仇，但是他却被永远地困在了现在，他便不得不从自己的全身各处找寻调查线索。

该故事受启发于医学文献中一位代号叫HM的病人的真实病史。HM九岁时在一次自行车意外事故中头部受伤，得了癫痫症。因为没有其他方法可以控制癫痫发作，外科医生就摘除了HM部分的海马和相邻的脑组织。手术成功地减少了大脑癫痫发作，但是却意外地切断了短时和长时记忆的神秘联系，那些所谓陈述记忆的信息——人物、地点、事件——在记录于大脑皮层之前必须经过海马传递。这样一来，那些很久以前已经存在于HM大脑中的记忆依然清晰，而他现在的经历和体验则很快就化为乌有。HM每个月一次去看他的医生，但每次见面两个人都像是从未见过。

长久以来，由当前的精神体验到持久记忆的转变过程令神经科学家着迷。当某个人的名字初次介绍给你时，是储存在短时记忆里的，可能几分钟之后就消失了。但是有一些信息，比如你最好的朋友的名字，就被转换为长时记忆并且能持续保留一生的时间。大脑能保留特定瞬间的记忆，而其他的则逐渐从脑海中消失。最近对这种机制的阐述更加明确了，但是神经科学家首先要解决一个中心的悖论。

短时和长时记忆都源于神经元间的联系，相接触的点被称为突触；突触是一个神经元用来发出信号的突起（称为轴突），和一个相邻神经元的许多接收信号的指状突起（称为树突）相交接的地方。当短时记忆产生时，突触受到的刺激足以使接踵而来的信号暂时“强化”或者敏感化。若是长时记忆，突触的强化就成为永久性的。自1960以来，科学家已经意识到，这个过程需要激活神经元胞核中的基因，来启动蛋白的产生。

深居于细胞核里的基因如何掌控远方突触的活动，记忆的研究者对此很感困惑。基因怎么“知道”何时该永久地强化一个突触，何时该让一个短暂的瞬间不着痕迹地消失？在成千上万个突触中，基因编码的蛋白怎么“知道”哪些应该加强呢？同样的问题在了解胎儿大脑发育时也涉及到。在胎儿的大脑发育期，大脑决定哪些突触联系应该保留，哪些应该放弃。在研究这种现象时，本实验室提出了一个有趣的方法，来解决这众多记忆之谜的其中之一。就像多萝茜（电影《生命美丽》中的人物——译注）一样，我们认识到其实答案早就有了。

基因与记忆

早期的分子生物学家发现，基因在记忆由短时转为长时中起着重要作用。他们的实验中训练动物完成简单的任务，证明学习需要大脑在数分钟的训练中合成新的蛋白，否则记忆就会丢失。

为制造蛋白，细胞核中解聚的RNA必须转录为一种可移动的形式，即所谓的信使RNA(mRNA)，它能游走到胞浆中，然后细胞器把其编码的指令翻译为蛋白。研究者早就发现，阻断DNA到mRNA的转录或者mRNA到蛋白的翻译过程，会妨碍长时记忆的形成，但对短时记忆没有影响。

因为一个神经元能形成成千上万个突触联系，所以不可能每一个都有一个相对应的基因来控制，那么细胞核是如何控制每一个联系的强化的呢？细胞神经科学家正在寻找合理的解释。他们提出的理论是，当一个突触受到足够强度的刺激时必定会产生一种未知的信号分子。随着联系一过性地强化，突触保持短时的记忆，同时信号分子离开突触，游走到神经细胞的胞核，作为信号分子激活适当的基因，合成蛋白，永久地强化突触联系。然而另一个问题是，这种蛋白一旦在神经元细胞体内生成，它如何在许许多多的突触中寻找到原来已被短时强化的那一个呢？

1990中期，研究记忆的学者们对此有了更多的了解。他们中的一些人证明，在动物体内（即使是相差很远的苍蝇和小鼠）有一种叫做CREB的转录因子，在短时记忆转换为长时记忆的过程中起关键作用。转录因子是细胞核中的重要蛋白成分，它能找到和结合特定的DNA序列，从而成为控制基因转录的最终开/关按钮。神经元内的CREB活化，会激活基因，接着神秘的突触强化蛋白就被合成，最终使短时记忆转化为长时记忆。

1997年，德国联邦神经生物学、基因调控和可塑性研究所的Uwe Frey和英国爱丁堡大学的G. M. Morris所完成的出色实验进一步证明，无论这些“记忆蛋白”是什么，它们不需要指向特定的某个突触，而是散布于整个细胞，但只能影响那个已经被暂时强化的突触，使神经元间的联系永久地加强。

这些发现，至少还留下一个迫切需要解决的问题：决定CREB何时被激活何时该保存为记忆的突触到胞核的信号分子是什么东西呢？就在最近，我和同事们从另一个不同的角度发现，我们也遇到了和记忆研究者同样的问题。我们在美国国立儿童健康和人类发展研究所的实验室，研究的是大脑如何在胚胎发育中相互间建立联系，铺设网络。所以当记忆研究者在为精神体验是如何影响基因，进而影响某个特定的突触联系而困惑时，我们也在被大脑最初发育时基因如何确定成千上万个突触联系而困扰。

我们和其他发育神经生物学家开始怀疑，精神体验可能在大脑建立网络联系的过程中起一定打磨作用。胎儿大脑开始只具有由遗传指令建立的粗糙的神经联系回路，然后，当幼小的大脑发展和测试那些联系时，它会保存最有效的，抛弃最差劲的。我们不禁要问，大脑辨别得出哪些联系值得保留吗？

大脑的构建

早在1949年，一位名叫Dondd Hebb的心理学家提出了一个简单的法则，来说明经验如何塑造某个特定的神经回路。受巴普洛夫著名的狗实验的启发，Hebb的理论认为在同一时间被激发的神经元间的联系会被强化。比如，铃声响时一个神经元被激发，在同一时间食物的出现会激发附近的另一个神经元，那么这两个神经元间的联系就会强化，形成一个细胞回路，记住这两个食物之间存在着联系。

不是所有输入信号都能激发神经细胞产生自己的信号。神经元就像个微处理芯片，它通过突触接收大量的信号，并且不断地把从突触接收到的输入信号进行整合。但不同的是，微处理器有许多输出途径，神经元则只有一个，就是它的轴突。所以，神经元对输入信号的反应方式只有一个：要么通过轴突激发一个冲动，向回路中相邻的一个神经元发出信号，要么相反，不发出信号。

当神经元接受这样一个信号时，它的树突上的跨膜电位差轻微地升高，这种膜电位的局部改变被称为神经元突触的“激发”。当突触快速、高频激发，就会发生一过性强化，即在短时记忆形成过程中观察到的变化。但是通常单个突出短暂的激发不足以使一个神经元发放冲动，即术语称的动作电位。当神经元的许多突触一起激发，共同的作用下就会改变神经元膜电位，产生动作电位，把信号传递到回路中的另一个神经元。

Hebb认为，就像管弦乐队的一个不合格的演奏者一样，如果神经元上的一个突触不能和其他的突触同步激发，就会当作蹩脚的角色被剔除。但是那些同步激发的突触——其强度足以使神经元发放动作电位——就会被强化。这样一来，大脑根据神经冲动流的方向，发展神经回路，逐步精化和完善，建立起大脑神经元间的网络联系。

从Hebb的理论出发分析该过程的确切机制，你会再次面对这样的问题，即在大脑铺设网络联系过程中，能强化或减弱突触联系的酶和蛋白必定是由某种特定的基因合成的，所以我们就开始寻找能激活这种基因的信号分子。

因为大脑中，神经系统中的信号表现为神经冲动的活动，所以我提出了一个假设，冲动发放必定能打开或关闭神经细胞中特定的基因。为验证这个假设，我和我们实验室的博士后学者Kouichi Itoh进行了下面的实验：取出胎儿小鼠的神经元进行体外细胞培养，在培养皿中以电极刺激神经元细胞。以不同形式刺激使之发放动作电位，然后检测对形成神经回路或者适应环境有重要作用的基因所转录的mRNA总量，结果证明我们的假设是正确的。我们只需通过选择电生理刺激器上适宜的刺激频率就能打开或关闭特定的基因，就像你选择特定的频率收听某个无线电台的广播一样简单。

时间的密码

既然已经观察到神经元的基因能被细胞发放的神经冲动形式所调控，我们就要探索更深层次的问题：膜表面的电位去极化形式是如何调控远在神经元胞核中的基因的？为此，我们需要把目光转向胞浆，观察信息是如何一路从膜表面传译到胞核中的，

结果发现由神经元包膜到胞核并非只有一条路，而是个错综复杂的化学反应网络。就像通向罗马的马路迷宮一样，有许多相互交叉的生化途径互相影响，它们把信号从胞膜传递到细胞各处。不知为什么，包膜上各种频率的电信号能通过这个胞浆中的网络流动，最终到达胞核中各自的目的地，我们希望了解个究竟。

原来，带有神经元胞膜电状态的信号进入胞浆的化学反应系统，这最初由细胞膜上电压敏感性通道的钙离子内流控制。实际上神经元细胞始终置身于钙离子池中.而神经元内侧的钙离子浓度一直保持极低的水平——比胞外浓度低2000倍。当跨膜电压达到临界水平时，神经元细胞就发放动作电位，使钙离了通道瞬时开放。当神经冲动发放，一股钙离子流涌入神经元胞内，就把电信号转换为胞内细胞生化反应能感知的化学信号了。

如同多米诺骨牌效应，钙离子进入胞浆，激活被称为蛋白激酶的酶类，接着蛋白激酶通过磷酸化反应活化其他酶类——磷酸化即给蛋白加上磷酸基的化学反应。类似于运动员传递接力棒，磷酸化的酶从休眠状态被激活，刺激转录因子的活化。例如，CREB可以被钙依赖的酶类磷酸化而激活，也可以被去磷酸化的酶类作用而失活。但是细胞内有数百种不同的转录因子和蛋白激酶，我们还想了解，一个特定频率动作电位的发放如何通过钙离子流找到适当的蛋白激酶，最终找到恰当的转录因子调控某个特定的基因。

我们神经元细胞灌入绿色荧光的染料，当胞浆中的钙浓度升高，我们就能跟踪观察不同发放形式的动作电位如何翻译为细胞内钙离子的动力学变化。一种简单的推测是，神经元内的钙离子浓度升高的程度调控着基因转录，不同的基因对不同水平钙离子的浓度反应不同。然而我们观察到的是更有趣的结果：神经元内的钙离子浓度升高的程度对特定基因的调控作用还不如钙离子流的瞬时作用模式重要，即回应最初作用于其神经冲动瞬时信号的模式。

我们实验室的另一位博士后Feleke Esheie，跟踪观察了上述钙信号到其激动的酶，再到这些酶调控的转录因子，最终我们开始认识到不同模式的神经冲动是如何通过不同的胞内信号通路传送信号的。重要的因素是时间。

我们发现，一个简单系列的化学反应不能代表从细胞膜到DNA的通路。从钙离子进入细胞膜开始，在每一步骤，化学反应都会进入高度交互的信号通路网络，而每一通路都有其速度限制控制其如何适当地对间歇的信号进行反应。这种特点决定了一个特定频率的动作电位应该选择哪个信号通路到达细胞核。

有一些信号通路是迅速反应、迅速恢复，这样，他们就能够对高频模式的动作电位做出反应，但是对有长间期分隔的动作电位不能持续活化，因为时间间隔导致失活。另外一些通路是反应迟钝型的，不能很好地对快速爆发的神经冲动作出反应，但是一旦被激活，则失活缓慢，这意味着他们对有长间期分隔的动作电位能持续活化，在间歇期也能保留有信号。因此这种通路活化的基因能对重复递送但是不常有的刺激产生反应，就像向记忆里添加新信息必须要重复一样。

换言之，我们观察到通过不同通路传递的不同瞬时模式的信号，被顺利转换为特定的形式，最终调控不同的转录因子和不同的基因。例如，我们的检测表明，CERB能被动作电位快速活化，但在我们停止刺激神经元后对失活却很迟滞。这样一来，CREB对于间隔30分钟或者更长时间的重复刺激就能保持活化状态，这恰巧跟学习新技巧或新事物需要的实践训练的时间间隔是相近的。

有鉴于CREB在记忆中的作用，我们不禁要猜测，是否我们正在研究的了解大脑发育的信号通路也和记忆的机制有关，因此我们设计了一个试验。

培养皿中的记忆

如果把病人从HM脑中摘除的那部分组织，从大鼠脑中切除的海马并且使其生长在盐溶液里，微电极和电子放大器能记录发自神经元细胞每个突触联系的电冲动。对突触施以电冲击，使其以特定形式激活，该突触联系即被强化。也就是说，突触接受到高频刺激后，会对后续的刺激产生反应，产生大约两倍的电压。

这种强化的增加，称为长时程增强（LTP），尽管如此称呼，它也是相对短暂存在的。当在高频刺激后施以有一系列间隔的测试脉冲时，突触产生的电压在几个小时内慢慢降低至最初的强度。被称为早期LTP的这种短期的突触强化是短时记忆的细胞模型。

值得注意的是，如果同样的高频刺激重复施加（在我们的试验中是第二次），突触会永久的强化，这种状态被称为晚期LTP。但是通常刺激不能一个接一个地重复。相反往往每次刺激都被留给足够的失间期（在我们的试验中是十分钟）。而且如果在脑切片的盐浴液中添加能阻断mRNA或蛋白质合成的化学试剂，将导致突触的初始强化在两到三个小时内减弱。正如在整个机体，短时记忆的细胞模型不要依赖于细胞核，而长时记忆的需要。

实际上，Frey和Morris已经使用这种方法证明，突触强化蛋白会影响任何已被短期强化的突触。首先，他们短暂刺激一个突触，诱导产生只持续几个小时的早期LTP。然后，以诱导晚期LTP的方式激活同一个神经元的另一个突触：十分钟为间隔进行三次冲击。结果，两个突触都永久的强化了。稍强的刺激向细胞核发出信号，要求制造记忆蛋白，接着蛋白就会“找到”任何被预先处理过的突触被其使用。

根据我们的工作表明，不同形式的神经活动如何活化特定的基因，再回想Hebb的理论，一个神经元发送冲动在决定它的哪个突触联系会被激活中是至关重要的，我们就要问了，突触发出到细胞核的信号分子对触发形成长时记忆是否真正必需。相反我们认为，为了使神经元由轴突发放动作电位，突触活化到足够强度或者与其他突触同步时，钙离子应该通过细胞体的电压敏感性通道直接进入神经元，活化能导致细胞核中CERB激活的信号通路，关于该通路我们已有研究。

为了验证我们的理论，我和Serena Dudek博士后对大脑切片采用了一种能阻断突触功能的药物进行干预。然后使用电极直接刺激神经元胞体和轴突使神经元发放动作电位。这样神经元发放了动作电位，但是突触的输入信号却不能使神经冲动。如果突触到细胞核的信号分子对触发晚期LTP是必须的，即对我们的长期记忆细胞模型是必须的，那么因为药物对突触功能的抑制，该过程就会失灵。另一方面，如果到细胞核的信号源自神经元发放的动作电位，抑制突触就不能阻止细胞核中记忆蛋白基因的活化。

我们接着处理脑组织确定转录因子CREB是否被激活。实际上，在完全失去突触活性的情况下，小区域的脑切片被刺激引发了动作电位，所有的CREB也被磷酸化，表明已被转为活化状态。

我们接着检测zif268的活性，已知该基因与LTP和记忆的产生有关。我们发现，没有任何突触刺激时，它的活性也被海马神经元的冲动激活。但是当存在另一种能阻断电压敏感性钙通道的药物时，我们怀疑这些通道才是产生从细胞膜到细胞核信号的真正源头，采用同样的刺激，结果发现神经元激活后，CREB并没有磷酸化zif268和一种与晚期LTP有关的蛋白MAPK。

这些结果清楚的表明并不需要从突触到胞核的信使。正如我们在发育学方面的研究，动作电位使膜去极化，打开神经元胞膜的钙通道，活化通向胞核的信号通路，开启适当的基因。看上去似乎记忆以这种方式工作更合情合理。不是神经元上的每个突触都必须向胞核发出自己的信使，而是胞核里的转录装置听命于神经元的输出信号来决定是否合成记忆。

分子记忆的疑团

也许的确有未被发现的突触到胞核信号分子以某种方式参与了记忆过程，但是我们的实验表明它们不是绝对必需的。如关于学习的赫布定律所预言，所有突触输入信号到细胞，共同兴奋，导致神经元发放冲动，这是巩固记忆的必要过程。

上述认识提供了一个关于我们日常记忆的细胞模拟体，它颇具吸引力。就像《记忆碎片》中的Leonard或犯罪现场的任何一个目击者一样，你不能总是预先知道哪些东西会被永久的存放在记忆里。瞬间到瞬间记忆对当时的短时工作是必需的，单个突触强度的一过性调整可以对其很好的调控。但是当一件事情足够重大或者被重复足够多次数时，突触活化使神经元相应反复和强有力地发放神经冲动，宣告“这是件该被记录下来的事情”，相关的基因即被打开，当突触强化蛋白找到保有短时记忆的突触时，这些突触实际上即被文身一样，留下了永久的印记。