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科学家新研究:让记忆再生 并进行转移
2019-12-19 08:54:25  出处:新浪科技  作者:叶倾城 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

记忆研究一直是科学的前沿,但也是一个奇怪的领域。20世纪50年代,在美国密歇根大学,原本默默无闻的心理学教授詹姆斯·麦康奈尔(James McConnell)利用涡虫进行了一系列实验,并由此一举成名,登上了新闻头版。这些涡虫之所以令麦康奈尔着迷,不仅因为它们具有“真正以突触相连的神经系统类型”,还因为它们有着“强大的再生能力……在最极端的条件下可以被切成多达50块”,而每个部分都能再生成“一个完整的、功能齐全的有机体”。

在早期的实验中,麦康奈尔通过电击配合闪烁的灯光来训练这些涡虫,就像巴甫洛夫一样。最后,只需要用灯光照射就可以使涡虫产生收缩反应。然而,当他将涡虫切成两半的时候,有趣的事情发生了。有头部的那一半涡虫长出了尾巴,它保留了训练的记忆,这还是可以理解的;令人惊讶的是,只有尾巴的另一半涡虫长出了头部,但也保留了训练的记忆。麦康奈尔开始思索,如果无头涡虫能再生记忆,那这些记忆存储在哪里呢?如果某些记忆可以再生,那能否将其转移呢?

也许可以。瑞典神经生物学家霍尔格·海登在20世纪60年代曾提出,记忆储存在神经元细胞内部,尤其是核糖核酸(RNA)中。RNA是负责传递信息的分子,能从脱氧核糖核酸(DNA)那里获得指令,利用核糖体生成蛋白质。麦康奈尔对海登的研究产生了兴趣,他切下经过训练的涡虫的一部分,移植到未经训练的涡虫身上,试图检测一种他称为“记忆RNA”的假想分子。

他的目标是将RNA从一只涡虫转移到另一只涡虫上,但在移植时遇到了困难。他转而采用一种“更惊人的组织转移方式,即‘同类相食’”。涡虫也刚好是同类相食的,因此麦康奈尔只需要把受过训练的涡虫混合起来,喂给那些没有受过训练的同类。涡虫缺乏可以完全分解食物的酸和酶,所以麦康奈尔希望一些RNA可以整合到这些取食同类的涡虫中。

令人震惊的是,麦康奈尔的研究结果显示,未经训练的涡虫通过食用受过训练的涡虫,其学习能力得到了提升。在其他实验中,他训练涡虫穿越迷宫,甚至开发了一种从训练过的涡虫身上提取RNA的技术,以便将其注入未经训练的涡虫体内,从而实现将记忆从某一动物传递给另一动物。在1988年退休后,麦康奈尔淡出了人们的视线,他的工作成果被安排在教科书的边角,作为一个奇怪但具有警示意义的故事。许多科学家只是简单地认为,像涡虫这样的无脊椎动物是无法被训练的,这使得麦康奈尔的工作很容易被忽视。麦康奈尔还在自己的期刊《蠕虫信使文摘》上发表了一些研究成果,以及科幻幽默故事和漫画。不过,故事的结局并不美妙,没有多少人对重复他的发现感兴趣。

尽管如此,麦康奈尔的工作在近年来得到了某种复兴,一些富有创新精神的科学家开始重新关注这一问题,比如美国塔夫茨大学专门研究肢体再生的生物学家迈克尔·莱文(Michael Levin),他以现代化和自动化的方式复制了麦康奈尔的涡虫迷宫训练实验。莱文把一条涡虫的尾巴切掉,通过向切口发射生物电,促使涡虫重新长出了一个头。这一实验使涡虫重新流行起来,莱文也被冠以“年轻的弗兰肯斯坦”的绰号。莱文还向太空发射了15块涡虫碎片,最终只有一块返回,奇怪的是,它长出了两个头。“太令人惊讶了,”莱文和他的同事写道,“在水中再次切开这只双头涡虫,又一次导致了双头表型。”

大卫·格兰兹曼是加州大学洛杉矶分校的神经生物学家,他最近正在从事另一个很有前景的研究项目,与麦康奈尔的涡虫记忆实验有异曲同工之妙。不过格兰兹曼的实验室用的不是涡虫,而是主要与海兔有关。这类可爱的软体动物受到神经科学家的偏爱,因为它们具有相对简单的神经系统。海兔是一类体型较大的海蛞蝓,可以在水中游动,具有波状的肉鳍。

2015年,格兰兹曼对教科书中的记忆理论进行了试验。该理论认为,记忆储存在连接神经元的突触中。他的团队试图在海兔身上创造并抹去记忆。通过周期性地温和电击,训练海兔延长防御性的避缩反射(在受到触摸时,海兔的虹吸管会收缩)。在训练之后,研究人员观察到,海兔体内感觉触摸的感觉神经元和触发虹吸管反射的运动神经元之间,生长出了新的突触。训练后这些神经元之间联系的增强似乎证实了记忆储存在突触连接中的理论。

格兰兹曼的研究小组还试图断开神经元之间的突触连接,以消除训练的记忆。结果发现,这些海兔随后确实表现得好像失去了记忆,这进一步证实了突触记忆理论。在研究人员对海兔进行“提醒”电击后,他们惊奇地发现,神经元之间迅速形成了不同的、更新的突触连接。然后,这些海兔表现得它们好像记起了之前忘记的敏化训练。

如果记忆在这种重大的突触变化中能持续存在,即使通过训练产生的突触连接消失,并且由完全不同的新突触取而代之,记忆也可以保留下来,那记忆也许并不是真的存储在突触中。这个实验就像电影《暖暖内含光》(Eternal Sunshine of The Spotless Mind)里的场景一样。这部电影在某种程度上表明,记忆永远不会完全消失,即使是那些似乎早已被遗忘的人和地方,也总是有可能寻回些许记忆。

但是如果记忆不是存储在突触连接中,那它们存储在哪里呢?格兰兹曼提出了一个不太流行的假设:记忆可能储存在神经元细胞的细胞核中,在那里,DNA和RNA序列构成了生命过程的指令。DNA序列是固定不变的,因此生物体的大部分适应性来自灵活的表观遗传机制,即根据环境条件或压力(有时涉及RNA)来调节基因表达的过程。如果说DNA是印刷好的乐谱,那RNA诱导的表观遗传机制就像即兴的剪辑和重排,可能指引了学习和记忆。

也许记忆存在于由RNA引起的表观遗传变化中。格兰兹曼的团队将目光投回海兔,对它们进行了两天多的训练,以延长虹吸管收缩反射。然后,他们解剖了海兔的神经系统,提取了参与形成训练记忆的RNA,并将其注射到未经训练的海兔体内,然后在一天后进行学习测试。研究团队发现,来自训练供体的RNA可以诱导学习,而来自未经训练供体的RNA则不起作用。他们将一种记忆从某一动物转移到另一动物身上,尽管有点模糊,但又确定无疑。他们用强有力的证据证明,RNA是记忆转移的媒介。

现在,格兰兹曼认为,突触是激活记忆的必要条件,但记忆是通过表观遗传变化编码在神经元的细胞核中。“这就像没有手的钢琴家,”格兰兹曼说,“他可能知道如何演奏肖邦,但他也需要双手来练习记忆。”

美国塔夫茨大学保罗·艾伦探索中心的科学家道格拉斯·布莱基斯顿(Douglas Blackiston)对昆虫记忆进行了研究,结果也得出了类似的结论。他想知道蝴蝶是否还记得其作为毛毛虫的生活,于是,他将毛毛虫暴露在乙酸乙酯的气味中,然后轻微电击,使其对乙酸乙酯产生厌恶情绪。之后,这些毛毛虫蛹化,几周后变成成年蝴蝶。此时研究人员再次测试它们对厌恶训练的记忆。令人惊讶的是,成年蝴蝶居然能记得这些厌恶的反应。但是,它们怎么记住的呢?在蜕变成蝴蝶之前,毛毛虫身体变成了一团细胞质汤。“重构是灾难性的,”布莱基斯顿说,“毕竟,它们正在从爬行机器向飞行机器转变。不仅是身体,整个大脑都需要重新连接。”

我们很难研究昆虫活体蛹化过程中究竟发生了什么,但有一部分毛毛虫神经元可能一直存在于所谓的“蕈形体”中,这是许多昆虫触角附近的一对嗅觉结构。换句话说,一些结构仍然保留了下来。“这不是(细胞质)汤,”布莱基斯顿说,“也可能是汤,但里面有一些小块。”在蛹化过程中,神经元几乎都经历了修剪,剩下的少数神经元与其他神经元断开,它们之间的突触连接在这个过程中被溶解,直到它们在蝴蝶大脑的重构过程中与其他神经元重新连接。与格兰兹曼一样,布莱基斯顿也用手做了一个类比,他说:“就像一小群神经元手牵着手,然后松开,四处移动,最后与新大脑中的不同神经元重新连接。”布莱基斯顿推测,如果记忆真的被保存下来的话,那它可能就存储在蕈状体的神经元中。蕈状体是唯一已知从毛毛虫传递到蝴蝶的结构。

最后,尽管《暖暖内含光》对记忆科学进行了异想天开的描写,但这部电影可能无意中发现了一个正确的前提。格兰兹曼和布莱基斯顿认为,他们的实验不仅为阿尔茨海默症患者带来了希望,使受损神经元的修复成为可能。至少在理论上,这些神经元可以在合适的RNA引导下,找回丢失的记忆。

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