强化记忆的艺术

一个影响深远的研究出现在1966年。在挪威奥斯陆大学佩尔·安德森的实验室里，泰耶·洛莫正在研究兔子海马中的神经元如何对支配它们的轴突刺激做出反应。洛莫在支配齿状回颗粒细胞（图4–1）的神经元轴突束中放置了一个刺激电极，并在齿状回中放置了一个记录电极。他发现，当他以高频率（每秒100次）刺激轴突2秒钟后，突触后神经元对随后的单次刺激的反应强度就会增加，这种效应会持续超过1小时。洛莫、安德森与蒂姆·布利斯一起，进一步确定了这种现象的特征，这种现象现在被称为“长时程增强”，简称LTP（Lomo 2003）。他们发现，LTP只发生在特定频率的刺激下。例如，每秒100次的刺激频率会产生LTP，而每秒10次的刺激频率则不会产生。随后的研究表明，LTP也发生在活体大鼠和小鼠的海马和其他脑区。LTP现在被认为是学习和记忆的基础。

接下来的问题是，突触前或突触后神经元发生了什么变化，才导致LTP中突触传递的增强？有个线索是，在洛莫的实验中，突触前和突触后神经元都是谷氨酸能神经元。在过去40年里，许多实验室的有力证据表明，LTP涉及AMPA受体的激活、膜去极化和Ca ²⁺ 通过NMDA受体通道的流入，它还被认为涉及在突触后膜中添加新的AMPA受体和扩大突触。

20世纪80年代初，在不列颠哥伦比亚大学工作的格雷厄姆·科林里奇、史蒂文·克尔和休·麦克伦南首次证明激活NMDA受体是LTP的必要条件（Collingridge, Kehl, and McLennan 1983）。他们从成年大鼠身上取出海马，切成约1/3毫米厚的切片。他们放置好电极，刺激海马CA1区域锥体细胞上形成谷氨酸能突触的神经元的轴突。他们还放置了一个记录电极，以记录CA1锥体细胞的反应。实验表明，当用一种能够选择性阻断NMDA受体的药物溶液浸泡海马切片时，LTP就消失了。其他神经科学家的后续研究确定了Ca ²⁺ 通过NMDA受体流入在LTP中的关键作用。

短期记忆指持续几秒到几分钟的记忆，而长期记忆则可持续几小时、几天甚至几年。短期记忆是由局部发生在突触的事件产生的，而长期记忆则需要信息从突触流向细胞核，在细胞核中，某些对长期记忆至关重要的基因会被激活。

短期记忆的发生过程可能如下。Ca ²⁺ 通过NMDA受体流入突触后树突，导致钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）被激活。这种激酶类型的蛋白质会将ATP中的磷酸原子（P）转移到蛋白质的某些氨基酸（丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸）上。加入磷酸后，蛋白质的功能就会发生改变，这一过程被称为“磷酸化”。突触中的几种蛋白质的磷酸化与短期记忆有关，其中包括谷氨酸受体蛋白和控制细胞骨架微丝的蛋白。Ca ²⁺ 流入和CaMKII激活的一个特别重要的作用，是将谷氨酸受体快速插入树突的突触后膜。膜上的谷氨酸受体越多，突触后神经元对突触前末梢释放的谷氨酸的反应就越强烈。

在长期记忆中，CaMKII会激活一种名为“cAMP应答元件结合蛋白质”（CREB）的转录因子。被激活的CREB随后移动到神经元的细胞核，在那里激活负责编码构成突触的蛋白质的基因。这样，突触就会增大。此外，长期记忆也与突触数量的增加有关。延时成像研究表明，谷氨酸受体被激活后几分钟内，谷氨酸可以诱导树突轴形成丝状伪足，这些丝状伪足有可能成为树突棘。经过很久后，这些丝状伪足可发展成为棘突。这些棘突最初可能没有轴突的支配。对新皮质的研究表明，棘突需要数天时间才能发育成熟，并接受神经支配，形成功能性突触。这一系列事件与我发现的大脑发育过程中突触最初形成时发生的一系列事件非常相似，甚至完全相同（见第3章）。

除了Ca ²⁺ ，cAMP在学习和记忆中也发挥着重要作用。20世纪50年代，生物化学家厄尔·萨瑟兰在研究肾上腺素如何使肝脏糖原分解成葡萄糖时发现了cAMP。他认为cAMP是一种“第二信使”，它能将第一信使肾上腺素的信号转导到细胞内，引起生化反应。cAMP激活蛋白激酶A，使突触内的许多不同蛋白质磷酸化。蛋白激酶A还能激活CREB。

彼得·格思里在斯坦利·本·卡特实验室做博士后的时候，我正在使用对Ca ²⁺ 敏感的探针Fura-2研究Ca ²⁺ 流入如何影响谷氨酸对树突生长和突触形成的作用。格思里在膜片钳电极中注入Fura-2，并将其注入海马切片中的单个CA1锥体细胞。Fura-2扩散到整个注入的神经元，使树突及其上的棘突得以显现。当格思里在神经元上添加一种能在膜上形成可渗透Ca ²⁺ 的孔的化学物质时，整个树突中的Ca ²⁺ 浓度会增加，但各个树突棘内的Ca ²⁺ 浓度存在明显差异（Guthrie, Segal, and Kater 1991）。这些发现表明，各个棘突在Ca ²⁺ 流入后降低其水平的能力不同，这说明各个棘突对相同数量的谷氨酸受体激活的反应不同。也就是说，相同数量的谷氨酸受体激活可能在一个突触会诱发LTP，而在另一个突触则不会诱发LTP。

早期LTP研究的一个潜在问题是，最常用于诱导LTP的高频刺激通常不会发生在大脑的神经元网络中。放置在行为自由的大鼠海马中的电极和人类大脑活动的脑电图记录都持续显示出频率为每秒4~8个周期的电振荡。这些振荡被称为“ θ 节律”。在大鼠身上， θ 节律出现在动物学习、行走和嗅探时。 θ 节律在大鼠和人类的快速眼动睡眠（REM）中也会出现。因此，它被认为与做梦有关。

θ 节律刺激可在海马突触诱发强烈的LTP，有证据表明， θ 节律在LTP和记忆中起着关键作用。有研究认为， θ 频率是LTP的最佳频率，它的作用是将当前感觉输入的编码及与当前感觉输入相关的情景记忆的检索分开。这样， θ 节律可以在当前感觉输入的编码和相关记忆的检索同时发生时，防止产生干扰。

θ 节律这样的突触活动模式可以加强突触，也有其他模式会削弱突触，后者被称为“长时程抑制”（LTD）。一般认为，LTD通过阻止突触达到电位的上限水平，在记忆编码过程中发挥着重要作用。也就是说，如果突触的LTP达到最高水平，那么该突触就无法再编码新信息。在海马的谷氨酸能突触中，LTD对持续微弱刺激有反应；而在小脑浦肯野细胞的谷氨酸能突触中，LTD则是对强刺激有反应。有证据表明，LTD是突触后树突棘中AMPA受体数量减少的结果（Ito 2001）。与LTP一样，LTD也涉及通过NMDA受体的Ca ²⁺ 流入。然而，与LTP中Ca ²⁺ 激活某些令蛋白质磷酸化的激酶不同，在LTD中，Ca ²⁺ 会激活从相同蛋白质中去除磷酸盐的磷酸酶。

大脑中的大多数神经元都有数千个谷氨酸能突触。神经元是否会在这些突触激活后激发动作电位，取决于有多少个相邻的突触被激活。目前有几种理论来解释这些突触的LTP或LTD如何决定神经元的最终反应。突触再可塑性理论假定，突触后神经元的反应有一个阈值，低于阈值的反应会导致LTD，而高于阈值的反应会导致LTP（Abraham and Tate 1997）。阈值取决于神经元上所有突触的平均活动。有趣的是，LTD对记忆编码的影响可能因神经元的不同而不同。早期的证据表明，LTD参与了海马回路记忆的衰减，但对小脑回路编码的运动序列的学习至关重要。然而，随后的研究表明，海马突触的LTD对空间导航相关记忆的编码非常重要。最近的研究结果表明，LTP对编码一个人身体在特定空间（如森林或城市）中的位置非常重要，而LTD则负责编码在空间中遇到的物体和事件。

我们的脑细胞会产生可能致命的气体，这一事实也许会让很多人震惊。神经元在它们的谷氨酸突触被激活后会产生一氧化氮、硫化氢和一氧化碳。有证据表明，这些气体与学习和记忆有关。

大多数人可能都听说过在密闭空间内燃烧燃料导致一氧化碳中毒死亡的事例。吸入大量闻起来像臭鸡蛋的硫化氢也会致命。事实上，硫化氢气体曾在第一次世界大战中被用作化学武器。一氧化氮的浓度达到百万分之一百或更高时，也会对健康和生存造成直接威胁。这三种气体在高浓度时都有毒，但脑细胞产生的浓度极低。

除了二氧化碳，人们首先发现的动物细胞中产生的气体是一氧化氮。1998年，费里德·穆拉德、罗伯特·佛契哥特和路易斯·伊格纳罗因发现“一氧化氮是心血管系统中的信号分子”而荣获诺贝尔生理学或医学奖（Smith 1998, 1215）。他们发现，动脉内皮细胞释放出一氧化氮，然后扩散到周围的平滑肌细胞，使它们放松。这样，一氧化氮就会增加动脉的直径，从而增加通过动脉的血流量。这就是为什么硝酸甘油对因冠状动脉疾病而胸痛的患者有益：硝酸甘油会转化为一氧化氮，一氧化氮会放松动脉周围的肌肉细胞，从而增加血流量并减轻疼痛。

一氧化氮被认为在大脑中也具有重要功能。约翰斯·霍普金斯大学的神经科学家戴维·布雷特和所罗门·斯奈德（1990）发现，当谷氨酸受体被激活时，神经元中会产生一氧化氮。一氧化氮的产生源自Ca ²⁺ 的流入。Ca ²⁺ 与蛋白质钙调蛋白结合，然后促使钙调蛋白激活一氧化氮合酶。这种酶以释放一氧化氮的方式作用于精氨酸。一氧化氮随后在整个细胞内扩散，并激活鸟苷酸环化酶，从而产生环鸟苷酸（cGMP）。与cAMP类似，cGMP也会激活激酶，将鸟苷–磷酸（GMP）中的磷酸基团转移到离子通道和转录因子等蛋白质上。

在斯坦福大学工作的埃林·舒曼和戴维·麦迪逊（1991）提供的证据表明，突触后神经元中因谷氨酸受体激活而产生的一氧化氮会扩散到突触前轴突，并在那里引起能影响谷氨酸释放的变化。此后，许多其他研究表明，一氧化氮作为一种细胞间信号，不仅影响激活的突触的结构和功能，还影响邻近突触的结构和功能。这是一氧化氮等“气体递质”的独特之处。不同于受膜限制的谷氨酸等神经递质，一氧化氮等气体则可以自由地跨膜扩散。

在发现一氧化氮可以通过cGMP影响血压和神经元网络的活动后，人们开发出了能提高cGMP水平的临床药物。例如，西地那非（万艾可）和他达拉非（希爱力）被广泛用于治疗男性勃起功能障碍。西地那非和他达拉非能提高阴茎血管周围肌肉细胞中的cGMP水平，从而放松血管，增加阴茎中的血液量，使阴茎相应增大。

古川胜敏在我位于肯塔基大学的实验室工作时，发现cGMP可以通过激活海马神经元膜上的K ⁺ 通道来降低海马神经元的兴奋性（Furukawa et al. 1996）。cGMP的这种作用可以防止神经元过度兴奋，从而避免神经元因为谷氨酸受体的过度激活而受损和死亡。我将在第6章和第7章详细描述的证据表明，谷氨酸过度兴奋出现在多种神经系统疾病中，包括癫痫、脑卒中和阿尔茨海默病。目前研究者正在评估提高cGMP水平的药物对这些疾病患者的潜在益处。哥伦比亚大学的奥塔维奥·阿兰乔及其同事发现，西地那非可以改善阿尔茨海默病小鼠模型的学习和记忆（Puzzo et al. 2009）。西地那非促进了转录因子CREB的激活，这表明药物激活了能加强突触的基因。其他研究表明，西地那非可以改善动物模型的创伤性脑损伤的转归。在遭受创伤性脑损伤的人类患者身上开展的一项小型临床试验结果表明，西地那非可能会改善患者的恢复情况（Kenney et al. 2018）。

一氧化氮是一种自由基，也就是说，它有一个未配对的电子，因此有“攻击”蛋白质的倾向。研究表明，酪氨酸特别容易受到一氧化氮的攻击。当攻击发生时，一氧化氮中的氮会紧紧地附着在酪氨酸上，这一过程被称为“硝基化”。根据谷氨酸受体激活时产生的一氧化氮量不同，蛋白质硝基化在突触可塑性中可能发挥生理作用，也可能发挥病理作用。在 θ 节律活动中，一氧化氮的产量和蛋白质的硝基化量相对较低，这可能有助于调节突触的可塑性。然而，癫痫发作或脑卒中后神经元中产生的过量一氧化氮和蛋白质硝基化可能会损伤神经元。

所罗门·斯奈德在对一氧化氮加以研究后，又提出了其他气体是否也能在大脑中发挥信使作用的问题。他和同事发现，脑细胞中会产生一氧化碳和硫化氢。与一氧化氮一样，一氧化碳和硫化氢都是在突触被谷氨酸激活时产生的（Mustafa, Gadalla, and Snyder 2009; Paul and Snyder 2018）。当血红素加氧酶2（HO2）作用于铁结合蛋白血红素时，就会产生一氧化碳。血红素最广为人知的角色是作为红细胞血红蛋白中的铁结合蛋白，但血红素也存在于包括神经元在内的其他细胞中。谷氨酸受体激活引起的Ca ²⁺ 流入会刺激HO2，使其产生一氧化碳。与一氧化氮一样，一氧化碳也会弥散到邻近的神经元，从而增加cGMP水平并激活K ⁺ 通道。通过这种方式，一氧化碳就能影响神经元网络的活动。

早在生命出现之前，硫化氢就已经存在于地球上。它存在于火山气体、温泉和天然气中。现在，细胞利用半胱氨酸中的硫来产生硫化氢。硫化氢是通过酶促反应产生的，而酶促反应会被维生素B ₆ 、维生素B ₁₂ 和叶酸促进。硫化氢产生后，它会在细胞内外扩散。虽然对硫化氢在大脑中功能的研究还处于起步阶段，但其硫原子可以与许多蛋白质中的半胱氨酸结合，这一过程被称为“巯基化”。目前还不知道有多少蛋白质会受到硫化氢的这种影响，也不知道它们的巯基化是否会影响学习和记忆能力。不过，对小鼠海马神经元的电生理学研究表明，硫化氢可能在突触可塑性中发挥了作用（Abe and Kimura 1996）。 P4o266j0g2JvYZTMkD16cYjFQ9HNrRvaa9+mfN88+uVlsu8YwK0AB/VC8+WTKKY2