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记忆是如何躲在你脑中的?

撰文 | 吴建永(美国乔治城大学医学院神经科学系教授)
责编 | 陈晓雪
 
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神经系统怎样能记住它所处理过的信息,是科学家和老百姓都关心的一个问题,也是百年来神经科学最重要的课题之一。
 
最近,美国霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚(Janelia)研究中心的杰夫·马基(Jeffrey Magee)小组在《科学》杂志上发表了一篇文章【1】,发现了一种可以在秒级的时间尺度上修饰神经细胞突触连接的现象。这篇文章引人注意,是因为新现象与现今的理论不符合。
 
为了把这个故事讲得人人能懂,我们先从百年来的神经科学历史讲起。
 
卡浩尔的惊人发现
 
十九世纪末,西班牙科学家圣地亚哥·拉蒙·卡浩尔(Santiago Ramón y Cajal)坐在他心爱的蔡斯显微镜前,津津有味地观察神经组织的标本。温暖的冬日阳光从窗外透过来,正好成为观察生物标本的绝好光源。卡浩尔利用他改进的高尔基染色方法,惊喜地发现,在脑组织中神经细胞互相连接,组成一张疏密有致的网络(图2)。
 
►图2. 卡浩尔和他心爱的蔡斯显微镜(A)。当时的显微镜是单眼观察,利用自然光来照明的。卡浩尔绘制的大脑皮层(B)和海马体(C)的神经网络。
 
兴奋之余,卡浩尔进一步推测,记忆是储存在神经细胞之间的联接点上的。人在成年之后神经细胞的数目几乎不变,而记忆却能随经历不断增长,在神经细胞数目有限的情况下,利用改变神经细胞之间的联系来存储记忆,这确实是个不错的想法【2】。
 
N年过去,N次“萝卜儿奖”(Nobel prize)之后,人们弄清卡浩尔所说的神经网络中的连接点叫做”突触”,记忆确实是靠修饰突触来实现的。
 
一齐活动,连在一起
 
那么, 记忆是怎样存储在突触上的呢? 
 
 1949年,心理学家赫伯(Donald O.  Hebb)提出一个假说,说记忆的形成是多个神经细胞“一齐活动,连在一起”(fire together, wire together)的过程,这就是教科书里大名鼎鼎的“Hebb假说” 【3】。
 
解释一下,在神经系统中,每个神经细胞和其他神经细胞之间都有直接或间接的突触连接,  但大多数突触连接是”沉默”的。比如, 能被铃声兴奋的神经细胞A与能被食物兴奋的神经细胞B之间,会有处于沉默状态的突触连接(可以是间接的,通过两三个神经细胞接力)。 这时,如果铃声和食物同时出现, 就造成A和B  “一齐活动” , 进而使沉默的突触变成有效的连接,使A和B“连在一起”。这样,动物就形成了铃声和食物这两个本来无关事件的相连记忆, 其物质基础就是这个加强了的AB间突触连接。
 
神经系统中每时每刻处理来自不同事件的大量信息,就造成了很多神经细胞“一齐活动,连在一起”的情况。同理, 如果神经细胞不一齐活动,其间的突触连接就会减弱。如此,神经网络中的连接强度就不断地被外来事件修改。信息就以突触被加强/减弱的形式被记忆在神经网络的联络图中。
 
Hebb的理论被大量的实验验证。其中最强有力的实验证据来自于所谓“长时间增强”现象(long term potentiation, LTP)。1966年,挪威安德森实验室的Terje Lomo发现,当给脑组织一连串快速的刺激之后,神经细胞之间的突触连接就会增强。而连串的快速刺激正好能实现Hebb所说的很多神经细胞“一齐活动”。这里,“一齐”(together)是“同时”的意思。但世界上并没有绝对的同时。同时到底是指一分钟之内,一秒钟之内,还是百分之一秒之内?
 
怎样定义“同时”
 
咱们吃瓜群众虽然不在乎这一秒半秒,可是业内人士却非常非常地认真。因为神经细胞之间通讯的信号叫“峰电位”,其尖峰的宽度只有千分之一秒左右的时间。而卡浩尔之后N年过去,在N次“萝卜儿奖”和N篇 “顶级“文章之后, 很多人把“同时”定义在千分之一到千分之五十秒之内。
 
千分之几十秒尺度的突触修饰在1990年代出现了里程碑式的进展。丹阳,蒲慕明和Henry Markram等分别用实验证明千分之几秒时间差的重要性。之后,毕国强和蒲慕明发表了一条经典的时间曲线【4】,说明A和B的峰电位在时间上相隔越近,对突触的作用就越大(图3)。如图所示,当A的峰电位出现在B峰电位千分之一秒之前,由A到B的突触就会得到很大的加强,而如果B的峰电位出现在A峰电位千分之一秒之前,由A到B的突触就会被大大减弱。这里作用最强的时间关系出现在0到千分之几秒之间,如果AB峰电位之间相隔了千分之几十秒,作用就减弱到可以忽略不计。
►图3,横轴是神经细胞A和B峰电位之间的时间关系(ms是千分之一秒)。纵轴是由A到B之间的突触的强度变化。可见若A的峰电位先于B的,这个突触的连接就会被增强,时间间隔越短,突触被增强的也越多。反之,如果B的峰电位先于A,这个突触的连接就会被减弱,B先于A时间越短,减弱也越多。采自Bi and Poo, 1998文章的图7 [4]。左上为中科院上海神经所的蒲慕明教授。
 
秒级时间尺度上的同时?
 
在多数人注意短时间尺度上同时活动的效果时,马基小组最近这篇文章就显得有些出人意外。它描述了一种在秒级的时间尺度上改变突触的现象,  让人耳目一新。作者将其称为“行为时间尺度”的突触可塑性(BTSP)。
 
什么叫“行为时间尺度”?还用摇铃的同时给食物的例子。当铃声和食物同时出现几次后,狗会产生铃声与食物关联的记忆。这时摇铃,不给食物也会流口水。在这个实验中,摇铃与给食物的时间关系是以秒计算的,这就是行为实验的时间尺度。摇铃会引起A群神经细胞产生大批峰电位,而吃食物时B群神经细胞产生的峰电位之间并没有千分之一秒级的一一对应时间关系:有时A先于B,有时B先于A。按图2的说法,它们对突触的加强和减弱的作用应该互相抵消,不应该产生LTP或类似的突触修饰和记忆。而在这篇中,马基和同事认为还可能存在另一种未知的机制,主导在秒级这样的行为尺度下引起突触的变化,形成记忆。
 
在这项研究中,马基与同事利用到了小鼠海马体中的“位置细胞”。有关位置细胞的科普很多,因为这项工作曾获2014年“萝卜儿奖”,被认为是“大脑中的GPS”。位置细胞是海马体中的神经细胞。这些细胞平时是安静的,但当动物处于环境中某一位置时,有些细胞就会活动起来,出现峰电位,以此代表动物当前的位置。一个位置细胞不但在老鼠走过这个特定位置时会放电,而且还在睡眠中还会反复回放,使动物对这个位置和当时发生的事之间巩固成永久的记忆,正如你能回忆出昨天中午在哪里吃的是什么午饭。
 
位置细胞是自发产生的,在一大群本来安静的神经细胞中,位置细胞的出现之前伴随着一些跨膜电位的波动,称之为“平台电位”(plateau potential)。而平台电位会引起一个“坡样”(ramplike)电位。坡样电位一出现,这个细胞就会突然被激活,从一大群安静的细胞中脱颖而出,成为代表当前位置的位置细胞。
 
什么是“跨膜电位”,什么是“平台电位”和“坡样电位”?为了尽量少留下概念的死角,我们再来回顾下历史。
 
微电极——金箍棒变绣花针
 
1947年,从西南联大到美国留学的凌宁(Gilbert Ning Ling,1919-,庚款项目留学芝加哥大学,和杨振宁一起玩的学弟),发明了“玻璃微电极”。就是一个针样的玻璃管,前端开口不到一微米可以插入神经细胞,后端开口在一毫米左右,可以插入测量用的电线。这样,后端金箍棒,前端绣花针,就可以钻进小小的神经细胞中测量内和外的电位差,即“跨膜电位”(跨越细胞膜的电位)。在神经细胞安静时,其跨膜电位大约在负60毫伏左右,称为“静息电位”。从静息电位向正方向的电位波动(比如从-60毫伏到-50毫伏)称为“去极化”;反之(从-60到-70毫伏)叫“超极化”。
 
凌的玻璃微电极在1970年代改进成了“膜片钳”(patch clamp)技术,广泛应用并解决了大量关键问题,于1991年获得“萝卜儿奖”(注)。那位获奖的萨克曼同学(Bert Sakmann)的实验室后来把微电极记录做到了极致,竟能在同一个神经细胞的三个地方记录(图4a)。从图中可以看到在同一个神经细胞不同的地方记录到的电信号也不一样:在细胞的体上是又高又快的峰电位(图4c 中的黑线),而在细胞的远端树突,是比峰电位时程宽得多的电位,称之为“平台电位”(图4d 中的红线)。峰电位和平台电位出现在细胞的不同位置,由不同的离子产生,出现的时程也不同。峰电位主要在胞体周围,是由钠离子产生,时程快,只有千分之一秒。而平台电位出现在远离胞体的树突,由钙离子产生,来得慢去得也慢。
 
位置细胞是如何炼成的
 
回到目前这篇文章,马基与同事让老鼠在跑步机上奔跑,同时利用玻璃微电极测量海马体中神经细胞的跨膜电位。在开始时几乎所有神经细胞是安静的,但当老鼠跑了几次后,细胞出现了“平台”电位。而平台电位一旦出现,就会反复出现和不断累积成坡状电位,使那些原本安静的细胞转化成活跃的位置细胞。为了证明坡样电位和位置细胞出现的因果关系,可以人为地随机向一个安静的细胞注入电流而产生平台电位,使该细胞从安静转变成位置细胞。
 
利用这个实验系统,马基与同事问了一个关键问题:一个海马神经细胞究竟需要综合多少时间内的输入信息,才能变成一个位置细胞?按目前的标准理论,一个细胞只能综合大约千分之五十秒的信息,而他们发现海马细胞实际上可以综合二到三秒内的信息。因此文章前半部的主要工作是: 设计一个假想实验,如果把信息综合的时间窗设置在千分之五十秒,则假想实验的所有结论都与实际的观察到的结果不符;而若把窗口放宽到二至三秒,则假想和实际的结果可以完全吻合。
 
我把这篇文章传给一个资深教授和一群刚入学的研究生菜鸟来读,发现教授和新生能懂的部分正好相反:在研究生精读课(critical reading)上,学生说能懂主要实验结果,而完全不懂啥叫平台电位和坡状电位。这不能怪学生,因为他们还没学基础知识。而教授对所有概念都没问题,却花了很多时间来理解实验设计和整体逻辑。在弄懂之后,他说实际上有很多现成的机制可以解释在秒级尺度上来修饰突触。
 
受过神经科学基础教育的人都知道突触是由分属于细胞A和B的“突触前”和“突触后”两部分组成,当一个峰电位抵达细胞A的突触前,就会引起其神经递质的释放,递质则在细胞B的突触后部分引起一个“突触后”电位,时程在千分之五秒左右,电压在千分之零点五伏。这些又小又短时的突触后电位对于坡电位来说相当于小小的“土坷垃”,但成千上万个这样的“土坷垃“ 也是可以堆成坡道的。
 
聚沙成塔和火箭式提拔
 
在教课书里,突触电位是聚沙成塔式的被动堆积,也叫突触电位的“时空整合”。而平台电位比普通突触后电位幅度大10-100倍,时程长20-100倍。这样一旦出现平台电位,时空整合就可能出现非线性的突变。打比方说,传统上认为每个位置细胞都接受来自各方神经细胞的信息,产生大数量的突触后电位,这相当于是由神经系统中各处的感觉和综合细胞“一人一票”选出位置细胞。这种“神经民主”可以让每个位置细胞能最恰当地综合代表该位置和当时发生的其他现象。而平台电位的出现就像超级投票人,一个能顶一万个普通突触后电位。所以一旦在突触后触发平台电位,就能产生“火箭式的快速提拔”现象。
 
马基与同事为了进一步证实这种火箭式提拔的作用,在文章的后半部把系统尽量简化,从整体动物简化到一小片海马组织,只含有少量海马CA1细胞和从CA3区来的神经纤维(海马CA1和CA3 的位置参考图3C)。在这个简单的系统中,作者用微小而持续的电刺激模仿突触前的峰电位,再用电流注入突触后细胞产生平台电位,这样果然能产生坡状电位,且通向这个位置细胞的突触连接被明显地加强了。在这个过程中,小而持续的突触前刺激和突触后平台电位之间的时间关系可以有几秒,即没有产生LTP所需要的那种高频强烈刺激,也没有Markran 和蒲说的那种千分之几秒的时间关系。
 
我第一次写大本行内的中级科普,虽有强迫症般的热情,但深知要想把问题说清,至少应介绍N个“萝卜儿奖”级的工作,引N篇“顶级杂志”的文章。对于茶余饭后想来点知识碎片当甜点的读者,是没胃口消费学术论文式科普的。因此我写了点知识碎片。但点心碎片吃多了也能饱,知识碎片看多了在脑子里也能连结成网。希望这篇文章像个知识“土坷拉”,同其他科普文章一起引发您认识飞跃的“平台电位”。
 
作者注:凌宁并未像他的杨师哥那样获奖,却逐渐被人忘记,孤独终老。因为他与主流科学对抗,反对离子通道理论。
 
徐达对本文亦有贡献。
 
参考文献:
1. Bittner et al., (2017) Behavioral time scale synaptic plasticity underlies CA1 place fields. Science 357 (6355):1033-1036.
2.  https://en.wikipedia.org/wiki/Santiago_Ram%C3%B3n_y_Cajal
3.  https://en.wikipedia.org/wiki/Hebbian_theory
4. Bi GQ, Poo MM (1998)."Synaptic modifications in cultured hippocampal neurons: dependence onspike timing, synaptic strength, and postsynaptic cell type". Journal of Neuroscience. 18 (24): 10464–72.
5.  Stuart, G., Schiller, J. and Sakmann, B. (1997), Action potential initiation and propagation in ratneocortical pyramidal neurons. The Journal of Physiology, 505: 617–632
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