長期記憶形成機制的研究進展-論文

1、目 錄摘 要IAbstractII1引言11.1背景11.2概念11.2.1神經生物學定義11.2.2心理學定義22研究歷史22.1發(fā)端22.2發(fā)展22.2.1十七世紀的研究進展22.2.2十八世紀的研究進展32.2.3十九世紀的研究進展32.2.4二十世紀的研究進展53研究現(xiàn)狀73.1模式生物73.1.1秀麗隱桿線蟲(C. elegants)83.1.2槍烏賊(L.japonica)83.1.3海兔(Aplysia)93.1.4果蠅(Drosophila)93.2現(xiàn)代研究方法與技術93.2.1單細胞記錄103.2.2腦電圖103.2.3正電子發(fā)射層析攝影術103.2.4磁共振成像113.2.

2、5腦磁圖113.3最新研究進展113.3.1 NMDA受體與學習記憶123.3.2細胞因子與學習記憶133.3.3酶與學習記憶133.3.4基因轉錄調控相關因子與學習記憶143.3.5鈣離子穩(wěn)態(tài)與學習記憶143.3.6原癌基因與學習記憶144研究展望154.1研究方向154.2研究方法155結語16參考文獻17致 謝1818摘 要幾千年來，人們從未停下對記憶之謎的探索腳步。近400年，研究者們充分運用心理學和生物學的理論與方法對長期記憶(Long-term memory，LTM)的形成機制進行了接力探索。隨著遺傳學和分子生物學技術的迅速發(fā)展，使人們在分子和基因水平對記憶機制有了更深入的認識。然

3、而，至今人們對長期記憶的儲存位置、存儲方式和讀取過程知之甚少，沒有形成系統(tǒng)的理論體系。文章綜述了長期記憶的分子生物學機制的研究歷史和近些年最新的研究進展，并提出未來研究的方向和方法。關鍵詞：長期記憶；分子機制；模式生物AbstractHumans, thousands of years ago, started exploring the mystery of memory. Researchers have been studying the mechanisms of long-term memory, for the last 400 years, using the knowledge

4、 and theories of psychology and biology. With the rapid development in genetics and molecular biology, humans have got a deeper knowledge about the mechanisms of memory on molecular and genetic levels. However, to date, people almost know nothing about the region where the long-term memories store,

5、the way memory storing and the process how memories are read. And we havent established a knowledge system on it. This work have summarized the studying history of long-term memorys mechanism on molecular biology and the latest achievement on this field, and have forecast the research orientation an

6、d method of the future.Keyword: long-term memory; molecular mechanism ; mode creature長期記憶的形成機制的研究進展1引言1.1背景1989年，美國國會通過了“命名自1990年1月1日起的今后10年為腦的十年”的提案。這一提案旨在敦促和呼吁美國公眾及相關的組織與政府一道，關心和促進神經科學的研究。這是美國國會第一次對一個具體的領域作出有效期為10年的決議。同樣引人注目的是，7年之后的1996年。日本推出了一個稱之為“腦科學時代”的龐大計劃，擬在20年內，每年投入1000億日元，使日本的腦科學研究達到甚至領先于世界

7、先進水平。這兩個舉措充分反映出腦科學近年來蓬勃發(fā)展的勢頭，也預未著關于腦的研究是未來國際科技競爭的重要方面1。迄今為止，人類遇到的最復雜莫測的生物學過程無疑是人類自身的學習與記憶。學習與記憶功能與語言、思維一樣，同屬于腦的高級功能，主要由腦的不同部位分別或聯(lián)合完成。在神經科學領域中，學習與記憶的研究歷來受到高度重視。因為學習與記憶能力不僅是人們獲取知識與經驗、改造世界的需要，而且也是保證人類生存質量的基本因素之一。生理性增齡所帶來的記憶能力的降低，伴隨多種神經、精神疾病所出現(xiàn)的記憶障礙，都向神經科學家提出了一個必須解決的課題學習與記憶的神經機制。因為只有在闡明各種類型的學習記憶神經機制的基礎上

8、，才可能尋找到延緩及阻止增齡性記憶衰退的途徑，也才有可能治療和改善不同神經、精神疾患所帶來的學習不能和記憶障礙。從分子水平到整體水平（行為）各層次闡明學習和記憶及其他認知腦功能的機制，必將使腦研究取得重大突破。1.2概念1.2.1神經生物學定義記憶是對所獲取信息的保存和讀出的神經過程2。個體通過學習或依據(jù)經驗，改變自身的行為，以適應環(huán)境得以生存。從我們出生的時刻起，我們所經歷的感覺刺激時時刻刻都在修飾著大腦并影響我們的行為。1.2.2心理學定義記憶是人腦對外界輸入的信息進行編碼、儲存和提取的過程，是在頭腦中積累和保存?zhèn)€體經驗的心理過程3。人感知過的事情，思考過的問題，體驗過的情感或從事過的活動

9、，都會在頭腦中留下不同程度的印象，其中一些印象成為經驗能夠保存相當長的時間，在一定條件下還能夠恢復，這就是記憶。神經生物學和心理學給出的定義的不同是由于站在不同的思考角度。筆者認為二者的定義是一致的，并且探明記憶機制的根本出路在于神經生物學和心理學的聯(lián)合統(tǒng)一。2研究歷史2.1發(fā)端人類對腦功能的認識可以追溯到三千多年前。據(jù)歷史文獻記載，那時已有關于腦損傷和腦部疾病癥狀的描述。公元前600400年，希臘的哲學家也已有關于靈魂、思想均依賴于腦的觀點，比如希波克拉底曾這樣說過：“大家應當知道，我們愉快、喜悅、歡笑、開心正如我們悲傷、疼痛、憂慮、哭泣的源出之處不是別的什么，就是腦。它尤其是使我們能思考，

10、能看能聽，能分辨美與丑，善與惡，愉快與不快的器官。"4盡管在當時，缺少嚴謹?shù)纳韺W依據(jù)，甚至對于心智、靈魂等基本假說或推論都可以說是錯誤的，他們仍然得出了類似這樣的結論：“這個非實質性的、隱蔽的實體是靈魂的理想棲身所。最重要的是，靈魂是不朽的；它與思維無關。"但這其中所提及的靈魂與我們現(xiàn)在普遍認為的涵義并不相同，在這段時期中，也有人從解剖學意義上研究大腦，如克羅托內鎮(zhèn)的阿爾克邁翁。2.2發(fā)展嚴格意義上說，人類運用科學方法對大腦進行研究，只有400年左右的歷史。而在過去漫長的時間里，人們把精神活動歸結為心智。2.2.1十七世紀的研究進展到了17世紀，人們認為大腦是個巨大的腺體

11、。意大利醫(yī)生和生物學家馬爾皮基(Marcello Malpiglli，1628-1694)就是其中一位。他把神經系統(tǒng)想象成一棵倒立的樹，樹干即脊髓，樹根扎在腦內，伸展到全身的神經就是樹枝5。隨即英國醫(yī)師托馬斯·威利斯(Thomas Willis，1621-1675)的腦的解剖學兼述神經及其功能一書，對神經系統(tǒng)作了完整、精確的描述。“他把人的記憶和意志定位在腦的溝回內，把某些情緒定位在人腦的基部，同時對想象和感官知覺也作了相應的定位?！?威利斯的工作把人類心理能力的依賴因素從腦室轉向了腦物質，他認同笛卡爾的二元論，承認存在非物質的靈魂或心靈，但它們與身體的聯(lián)系在于腦皮層或者胼胝體中而不

12、是松果腺。2.2.2十八世紀的研究進展這之后不久，法國解剖學家，維克達居爾等人通過實驗觀察，畫出了腦的解剖輪廓。同時瑞士生理學家阿爾勃萊希特·馮·哈勒(Albrecht von Haller，17081777)也在其人體生理學原理和人體解剖圖中指出：“感知是神經的特性，它們在腦髓中有一個共同的匯合點。"地證實了機體器官部 ：分是可興奮的，部分是不易興奮的。他還發(fā)現(xiàn)刺激神經，比刺激肌肉本身，更易引起肌肉的收縮，而切除特定組織的神經，該組織便喪失其反應功能，這是有關神經系統(tǒng)功能的第一個決定性事件。他還提出腦通過神經接受感覺信號并通過神經傳送神經沖動到肌肉組織引起反應。

13、這些理論，為之后對大腦皮層的進一步研究打下基礎。2.2.3十九世紀的研究進展腦科學伊始，有兩種理論對其后的研究產生了重大的影響，它們分別是：腦功能定位和神經元理論。這兩種理論一個側重結構上的分析，一個著重功能上的研究。腦功能定位學說是關于大腦皮層結構與功能之間關系的學說。大腦皮層各部位在機能上有不同的分工，即機體各種功能活動的最高終端在皮層上有定位關系，這是腦研究早期的偉大見解之一，也是腦科學最重要的基本理論之一。該學說萌芽于19世紀對大腦皮層的研究，在20世紀逐步得到完善。19世紀初，對人類大腦大規(guī)模的解剖研究已為人所知，但究竟其內在如何運轉眾說紛紜,其中一種觀認為,腦可以被分割成若干固定的

14、小室,各自都有高度專一的功能. 弗朗茲高爾(Franz Joseph Gall，1758-1828)是這種看發(fā)的最富盛名的鼓吹者。在1810年他聲稱他已經對大腦的各個部位的功能進行了精確的定位。高爾共推斷出有32種構成人類心智的復雜特征不同的性格特征，如繁衍本能、對后代的愛、依戀和友情等等，并用這些不同的特征勾勒出一幅頭顱表面的圖譜，根據(jù)隆凸的大小，在圖譜上對功能作不同程度的定位。但是，有一個令人困惑的問題至今仍難以回答，甚至被忽略了：“一種特定的精神狀態(tài)究竟如何才可能與相應的腦的物理結構關聯(lián)起來，更不用說與顱骨上隆凸這樣遠離腦組織的結構相關聯(lián)6”但由于他所使用的方法以及最終得出的結論，這個理

15、論淪為了一種名為顱相學的坊間游戲。但是值得肯定的是高爾首次從結構和功能上，明確地區(qū)分了大腦的皮質與白質以及包埋在白質中的神經核團，并提出大腦皮質是實現(xiàn)神經活動最高部位。19世紀是人類對腦和行為的認識發(fā)展最快的一個時期。解剖學與心理學的最初結合是始于19世紀初期顱相學的出現(xiàn)，以維也那內科醫(yī)生、神經解剖學家Gall為杰出代表，他們將不同的腦功能，包括心理、意識、思想、情感等均定位在腦的不同部位，并在顱骨外標記出來，形成顱骨圖。他們還進一步提出，每一功能的發(fā)展均可使其功能區(qū)域擴大，猶如鍛煉可以使肌肉強健一般，從而形成了腦功能局部定位學說。法國神經學家Flourens通過切除動物部分腦區(qū)觀察分析腦與行

16、為的關系。研究發(fā)現(xiàn)，不管切除什么部位，功能都能得到同樣的恢復，提出了腦功能的整體論。 以上顱相學的腦功能局部定位學說與整體論學說的爭論一直延續(xù)到20世紀。對腦功能局部定位學說的有力支持來自法國醫(yī)生Broca對人類大腦的語言功能定位，他在一個生前患有運動性失語的病人腦內，發(fā)現(xiàn)病變位于左額葉。他于1885年發(fā)表的“我們用左大腦半球說話”，成為腦功能研究史中的一個里程碑。 以Golgi和CaJal為代表的實驗神經組織學的發(fā)展將人們對自身大腦的認識向前大大推進了一步。Galvani發(fā)現(xiàn)的動物神經組織電活動成為神經電生理學起始的標志。此外，在達爾文生物行為進化論的影響下，心理學從哲學中獨立出來，成為一門

17、實驗科學7。到19世紀末，以上幾個實驗性分支科學的理論觀點逐漸融合，形成了關于腦和行為的現(xiàn)代觀點。腦功能定位學說是關于大腦皮層結構與功能之間關系的學說。大腦皮層各部位在機能上有不同的分工，即機體各種功能活動的最高終端在皮層上有定位關系，這是腦研究早期的偉大見解之一，也是腦科學最重要的基本理論之一。該學說萌芽于19世紀對大腦皮層的研究，在20世紀逐步得到完善。查爾斯·謝靈頓的一生中對中樞神經系統(tǒng)生理學研究方面做出了杰出的貢獻，神經生理學的許多研究領域與他的名字是不可分開的。他在卡哈爾創(chuàng)立的神經元學說基礎上，于1897年提出使用突觸(synapse)這個術語來描述一個神經元與另一個神經元

18、之間的接觸部位，并認為神經元與神經元之間在這個部位進行信息溝通，而這個部位最早是由卡哈爾在光學顯微鏡水平作了組織學描述8。1872年，在意大利的一家廚房里發(fā)生了神經科學中的一次重大進展。帕維亞大學年輕的醫(yī)學研究生卡米洛·高爾基由于對大腦的強烈興趣而建立了一個簡易實驗室。困擾高爾基的問題是關于物質腦的本質：腦是由什么組成的。那時的實驗條件，已經可以做到在顯微鏡下觀察大腦的切片，但結果只是觀察到了一堆均質的蒼白色漿狀物，仍然無法得知腦的基本構件，進而了解它是如何工作的。一次實驗中，高爾基偶然地將一塊腦塊放入盛有硝酸銀溶液的碟子中，并在其中浸泡了幾個星期。當他取出腦塊并用顯微鏡觀察時，他發(fā)

19、現(xiàn)腦快出現(xiàn)了一種復雜的圖案：在網狀的纏結中懸浮著黑色的斑點。于是他1873年首次提出的銀銹斑(silver stain)的說法，第一次使人們對神經細胞有了清楚的了解。1現(xiàn)在，我們知道，一旦將腦組織放入硝酸銀中三個小時或更長，就有可能顯現(xiàn)出腦組織最基本的組分特殊類型的細胞，這種細胞稱為神經元。2.2.4二十世紀的研究進展進入20世紀，對大腦的研究開始變得細化，我們不能再簡單的以某種理論的線索來梳理所有的事件，并必須以不同的研究對象來劃分。從中我們不得不感慨大腦是一個如此復雜的系統(tǒng)，以至于同樣以大腦為研究對象的工作也能分出各自的領域。19世紀末的工作與20世紀初對大腦的研究是緊密關聯(lián)在一起的，雖然

20、從時間上將其分來，但就內容上，這些工作是連貫的。其中最具代表行的就是謝靈頓的工作，他在1906年出版的名著神經系統(tǒng)的綜合作用一書中，提出大腦和身體構成了一個復雜的、由反饋循環(huán)調控的機制，在這種程序控制中，某個特定的行動產生的效果會被源源不斷地返還到那一行動的源極。盡管費里爾與1886年首次將靈長類動物的運動皮層定位于一個獨立的區(qū)域，但直到1902年，格林鮑姆(Grunbaum，18961921)和謝靈頓才首次對靈長類動物腦皮層上這一區(qū)域的空間范圍作出詳細描述，明確地將運動區(qū)與中央溝之后的區(qū)域(身體感覺區(qū))區(qū)分開來。它們于20世紀發(fā)表的經典論文毫無疑義地確定了運動皮層的觀念，并由此確定了腦皮層的

21、不同部位專門對應不同功能。埃德加·道格拉斯·阿德里安(Edgar Douglas Adrian，18891977)的工作在某方面與謝靈頓互補，他說明了伴隨著反射和其他神經系統(tǒng)綜合活動出現(xiàn)的運動和感覺神經纖維中的電活動，并在隨后將注意力轉向了腦中電震蕩的起源，并證實了貝格爾節(jié)律產生于腦皮層的枕葉。謝靈頓和阿德里安共獲了1932年的諾貝爾獎9。20世紀40年代，神經外科醫(yī)生Penfield用刺激電極刺激手術病人的皮層，讓處于清醒狀態(tài)的病人述說感受。結果發(fā)現(xiàn)，電刺激可以導致病人產生一種經驗性反應，即病人有記憶的復現(xiàn)，而且這種回憶似的反應均是通過刺激顳葉誘發(fā)出來的。這一發(fā)現(xiàn)首次將記

22、憶功能定位在腦的特定部位。從此，顳葉在學習記憶中的作用受到越來越多的重視。 顳葉在記憶中有重要作用的另一個證據(jù)來自20世紀50年代對癲癇病人的治療觀察。其中最典型的病歷是一個長期患有頑固性癲癇的年輕病人H.M，為了控制他的癲癇發(fā)作，醫(yī)生切除了他大腦雙側顳葉的內側部分，結果導致他喪失了幾種類型的長期記憶的能力10。蒙特利爾神經學協(xié)會的創(chuàng)始人，加拿大神經外科學家潘菲爾德的長期而精心的研究，把腦功能定位的研究推向了高潮。他在1928-1947年的二十年間，為了緩解癲癇病人的癥狀而為眾多患者通過手術切除受損的組織11。他發(fā)現(xiàn)大腦本身并無疼痛的感受，因此有可能暴露清醒病人的大腦而不使他們感到疼痛，因而他

23、對近四百例行開顱術的清醒病人的大腦皮層施行電刺激，獲得了大腦皮層功能定位的系統(tǒng)而確切的材料，精細地繪制了大腦皮層功能定位圖。完成了關于腦功能定位研究的一次飛躍。自20世紀40年代提出腦的高級功能局部定位學說以來，人們一直認為記憶可在腦的某一部位單獨存在，試圖探查出單獨存在的記憶結構和他們的所在位置，從50年代起，神經科學家日益認識到，記憶是由大腦的多個部位共同完成的，這些部位之間有著密切的神經網絡連接和功能聯(lián)系。 總結長期以來通過臨床觀察和腦組織實驗切除所積累的資料，認為顳葉中的一些結構，特別是海馬似乎是長期記憶的暫時貯存場所，對新習得的信息進行為期數(shù)周到數(shù)月的加工，然后將這種信息傳輸?shù)酱竽X皮

24、層的有關部位作更長時間的貯存，貯存在大腦皮層不同部位的記憶信息再由額葉皮層的記憶活動表現(xiàn)出來。此外，記憶有多種類型，其貯存部位及提取路徑并不相同。1949年，Lloyd在脊髓階段所做的單突觸傳遞特征的研究為突觸修飾理論提供了電生理的證據(jù)。他的研究發(fā)現(xiàn)，給肌肉纖維施加強直刺激后，脊髓內的單突觸傳遞出現(xiàn)了傳遞效應的增強。這一現(xiàn)象被稱為強直后增強。1953年，Eccles等根據(jù)脊髓階段突觸反射的可塑性推想，在中樞神經系統(tǒng)的高級部位也可能存在著突觸聯(lián)接的可塑性，并相信這種特性可能是學習與記憶的神經基礎。強直后增強現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)表明突觸傳遞效應可以通過使用而得到加強，這不僅為Hebb的突觸修飾理論增添了證據(jù)

25、，而且為學習與記憶神經機制的探討找到了一個可能的電生理指標。 強直后增強現(xiàn)象是一種活動引起的突觸傳遞功能的增強，這一客觀指標的出現(xiàn)曾經一度引發(fā)學習記憶神經機制的電生理研究熱潮。但是把這一現(xiàn)象作為研究學習與記憶神經機制的指標，卻有著明顯的缺陷，即它的持續(xù)時間太短。因為持續(xù)時間的長短，是作為記憶的神經基礎一個重要指標。 1973年，Bliss等人在哺乳動物的海馬部位發(fā)現(xiàn)了長時程增強現(xiàn)象。與強直后增強現(xiàn)象不同的是，在傳入纖維上施加短暫的強直刺激，所引起的突觸效應增強可以持續(xù)相當長的時間。在慢性動物實驗中，這一現(xiàn)象可以持續(xù)幾周時間。有人認為若除去方法學上的限制，持續(xù)時間可能會遠遠超過這一時程。由于長時

26、程增強現(xiàn)象首先發(fā)現(xiàn)于哺乳動物的海馬部位，而臨床資料早已證明這一部位與某些記憶形式有著極為密切的關系，因而長時程增強現(xiàn)象從一開始就受到神經科學家的高度重視，已被廣泛作為信息貯存過程中突觸效應增強的客觀電生理指標3研究現(xiàn)狀3.1模式生物模式生物是一類能方便地在實驗室進行繁殖和飼養(yǎng)，個體生命周期較短的生物，用于研究人類生命現(xiàn)象或健康問題，其中有人們熟悉的小鼠和果蠅，也有人們不太熟悉的線蟲和斑馬魚。盡管模式生物不像時裝模特兒那樣引人注目，但由于它們繁殖力強，基因組一般較小、較簡單。易于遺傳操作等特點，而備受生物學家和醫(yī)學家的青睞。如今，生命科學、醫(yī)學領域的研究大多離不開模式生物，在醫(yī)學文獻分析和檢索系

27、統(tǒng)(MEDLINE)收錄的生物醫(yī)學文獻中，約60涉及模式生物。實踐證明，模式生物已經成為功能基因組學、生物學、醫(yī)學、藥學等領域不可或缺的重要研究工具。從低等無脊椎動物到人，學習、記憶能力的發(fā)展在進化上具有一定的保守型，人類的學習、記憶行為是其他動物學習行為的延續(xù)，因此，通過跨種屬的比較研究，對于揭示人類自身的學習、記憶的神經機制具有重要的意義。目前有關學習、記憶神經機制的一些重要的研究進展都是通過結構簡單、神經回路清楚的生物取得的12。早在20世紀最初的20年中，甚至更早到19世紀，人們就發(fā)現(xiàn)，如果把關注的焦點集中在相對簡單的生物上則發(fā)育的現(xiàn)象難題可以得到部分解答。因為這些生物的細胞數(shù)量更少，

28、分布相對單一，變化也較好觀察。由于進化的原因，細胞生命在發(fā)育的基本模式方面具有相當大的同一性，所以利用位于生物復雜性階梯較低級位置上的物種來研究發(fā)育共通規(guī)律是可能的。尤其是當在有不同發(fā)育特點的生物中發(fā)現(xiàn)共同形態(tài)形成和變化特征時，發(fā)育的普遍原理也就得以建立。3.1.1秀麗隱桿線蟲(C. elegants)秀麗隱桿線蟲是一種可以獨立生存的線蟲，其個體小，成體僅1.5mm長，為雌雄同體，雄性個體僅占群體的0.2%，可自體受精或雙性生殖；在20下平均生活史為3.5天，平均繁殖力為300-350個；但若與雄蟲交配，可產生多達1400個以上的后代。秀麗線蟲是有最簡單的神經系統(tǒng)(nervous system

29、）的生物之一。在雌雄同體中，總共有302個神經元(neuron），其連結形式也已完全被建立出來（small-world network）。線蟲生活在土壤間水層，成蟲體全長只有 0.1 公分，因以細菌為食物，所以在實驗室中極易培養(yǎng)。又因為全身透明，研究時不需染色，即可在顯微鏡下看到線蟲體內的器官如腸道、生殖腺等；若使用高倍相位差顯微鏡，還可達到單一細胞的分辨率。因此，線蟲是研究細胞分裂、分化、死亡等的好材料。又因為線蟲僅有一千多個體細胞，所以它的所有細胞都可以澈底地觀察研究，這與人體數(shù)十兆的體細胞比起來，真是簡單多了20世紀60年代的研究先驅布瑞納（Sydney Brenner）認為，線蟲是一種

30、富有特性的生物，雖然它的體積小而透明，但卻包含了完整的分化組織及一個有腦的神經系統(tǒng)，這些特色可協(xié)助研究人員進行線蟲是否具有學習行為的研究。3.1.2槍烏賊(L.japonica)槍烏賊是淺海性種類，主要生活于大陸架以內，但在水深150200米左右的陸架邊緣也有密集群體。白天多活動于中下層,夜間常上升至中上層,垂直移動的范圍從表層至百余米。體呈流線型，相對長度大,阻力小,加上端鰭的輔助推動作用，為頭足類中游速最快的類型之一。但因其運動方式靠漏斗噴水推進，在游行中也常受風、流的影響。槍烏賊是兇猛的肉食性動物,食物大多為小公魚、沙丁魚、鲹等小型中上層種類，也大量捕食其同類。槍烏賊本身又是金槍魚、鮐、

31、帶魚和海鳥的重要食餌。20世紀30年代末，Hodgkin和Huxley等一批科學家利用槍烏賊的巨大神經纖維進行實驗，提出神經沖動傳導的“離子學說”。利用槍烏賊神經節(jié)內的巨大突觸，科學家還發(fā)現(xiàn)了有關化學性突觸傳遞的一些基本規(guī)律，并進一步設想是否可以利用軟體動物簡單的神經結構，探討哺乳動物的大腦完成高級功能時所遵循的基本規(guī)律3.1.3海兔(Aplysia)海兔系雜食性動物，屬軟體動物門腹足綱,后腮亞綱,海兔科動物，廣泛分布在熱帶及亞熱帶海域，以底棲矽藻和沉積在海灘上的有機質、綠藻和底棲橈足類等為食海兔系雌雄同體的海洋軟體動物，它在我國福建、廣東、山東等省的海域均有分布廈門最常見的海兔品種是藍斑背肛

32、海兔現(xiàn)在海兔已經成為生物研究的一種模式生物，尤其是在神經節(jié)蛋白質組的研究上13。20世紀60年代，Kandel等人利用海兔這一軟體動物的縮腮反射，對習慣化和敏感化這一簡單的學習形式進行了詳細深入的研究，揭示了這種簡單的學習模式完成的分子機制，首次使學習和記憶的神經機理在分子水平上得到了闡明。在海兔標本上發(fā)現(xiàn)的學習過程的基本規(guī)律和特征，指導了哺乳動物學習記憶機制的研究。3.1.4果蠅(Drosophila)果蠅是果蠅科,果蠅屬昆蟲。約1,000種。廣泛用作遺傳和演化的室內外研究材料，尤其是黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)易于培育。其生活史短，在室溫下不到兩周。黑腹果蠅作

33、為一種常見的模式生物, 已經大量使用在遺傳學(genetics)和發(fā)育生物學(developmental biology)上的研究。在20世紀生命科學發(fā)展的歷史長河中，果蠅扮演了十分重要的角色，是十分活躍的模型生物。遺傳學的研究、發(fā)育的基因調控的研究、各類神經疾病的研究、帕金森氏病、老年癡呆癥、藥物成癮和酒精中毒、衰老與長壽、學習記憶與某些認知行為的研究等都有果蠅的“身影”。3.2現(xiàn)代研究方法與技術如果說早期的腦科學研究方法主要是通過對病人的臨床觀察并結合尸體解剖進行的話，今天的腦科學家則非常強調直接研究。所謂直接研究，就是以健康人為對象，深入到人的大腦中直接觀察大腦的結構、變化活動過程及其機

34、制原理，揭示大腦的靜態(tài)、動態(tài)結構。為此，必須找到"解決這些問題的新的實驗方法"14。 這樣，無創(chuàng)傷腦技術應運而生，并推動著腦科學研究的不斷地向前發(fā)展。3.2.1單細胞記錄單細胞記錄是指精細地記錄單個細胞元的活動情況，一般使用直徑約為萬分之一毫米的微電極，插進動物大腦以記錄細胞膜外電位。單細胞記錄的研究手段對于研究腦皮層功能以及對于突觸傳遞電信號有著非常重要的意義，它提供了腦功能在神經元水平上的具體活動信息15。它的局限在于，只能提供單個神經元水平的活動信息，無法全局的把握大腦的整體活動，因此隨著神經科學的進一步發(fā)展，又出現(xiàn)了其他的實驗儀器與方法。3.2.2腦電圖腦電圖(el

35、ectroencephalogram，簡稱EEG)是指通過在頭皮表面記錄大腦內部的電活動情況。大腦內部非常微小的電變化都能被置于頭皮表面的電極記錄到，然后通過示波器中的陰極射線管顯示出來。腦電圖的關鍵問題是如何在記錄時過濾掉腦電活動的自發(fā)性或大量的背景活動。解決方法之一是多次呈現(xiàn)相同刺激，事每刺激呈現(xiàn)后的片段被抽取出來并根據(jù)刺激的觸發(fā)時間加以排列。把這些腦電圖片段疊加后平均九獲得一個單一波形，從腦電圖記錄中獲得了事件相關電位，把刺激的效應從背景活動中分離出來。腦電圖為我們提供了更多關于大腦活動的更為具體的實踐進程信息，可以有非常廣泛的臨床應用(如對癲癇病人的腦活動觀察等)。然而，它的局限在于腦

36、顱和大腦組織干擾了來自大腦內部的電場，只有在刺激非常簡單且所給任務只涉及基本過程時才能提供準確的信息，無法用于研究復雜的認知活動。3.2.3正電子發(fā)射層析攝影術正電子發(fā)射層析攝影術(position emission tomography，以下簡稱PET)是根據(jù)對正電子的檢測而獲得有關大腦活動信息的一種實驗技術。這一觀念最早出現(xiàn)于1928年，真正發(fā)展起來卻要等到20世紀70年代。當時在波士頓的醫(yī)生們們證明血液會向大腦最活躍的部位集中。更為清晰的圖像始于20世紀80年代初期。先進的技術和電腦軟件使研究者把對同一大腦的PET掃描與高清晰的M剛掃描(下文將具體介紹)的圖像重疊。到20世紀90年代為止

37、，美國至少40個研究中心在使用PET掃描進行診斷和研究。華盛頓大學的圣路易斯醫(yī)學院實驗室便是其中之一。神經學家馬爾庫斯·雷克爾(爾(Marcus Raiche)與他的同事們用這一技術研究大腦對語言的處理方式。PET要求受試者在測試前攝入特定的放射性物質，它將在體內釋放正電子，并在掃描時，迅速移動至在大腦的血管中，并聚集在大腦的興奮處。掃描裝置可以通過測量放射性液體所產生的正電子數(shù)量，經由計算機轉換成代表大腦不同區(qū)域興奮水平的圖像。研究者首先測量某一實驗條件下和某一控制或基線條件下的大腦激活水平，然后把控制條件下的大腦激活水平從試驗條件中的大腦激活水平中減除。這一減法處理被認為可觀察由

38、純實驗條件所引起的大腦興奮區(qū)域和水平。雖然PET具有較高的空間分辨率，但它的時間分辨率很低，依賴于正電子的放射速率等，只能間接測量有關的神經活動。同時，這項實驗要求攝入放射性物質，是一項侵襲性技術，因而這就催生了其他實驗的完善。3.2.4磁共振成像磁共振成像(magnetic resonance imaging，以下簡稱MRI)，是指利用電磁場提高大腦中特定原子的能量水平。一臺環(huán)繞患者重達數(shù)噸的磁體將記錄這一過程中的磁場變化，經由計算機轉化為一幅非常精確的三位圖像。如今，M技術越來越多的用于記錄大腦活動的功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging

39、-fMRI)。MRI比PET具有更高的時間和空間分辨率，因為在近些年逐漸取代了PET，成為大腦研究的主要手段之一。但是這仍然是一種間接測量神經活動的手段，雖然有益于發(fā)現(xiàn)結構，仍不能追尋認知活動的時間軌跡，無助于研究功能。3.2.5腦磁圖腦磁圖(magnetoencephalography，以下簡稱MEG)是1990發(fā)展起來的一種技術。MEG技術運用一個超導量子干擾裝置(superconducting quantum device，簡稱SQUID)測量腦電活動的磁場變化，被認為是“對大腦神經活動的直接測量"。MEG對神經活動的測量精度很高，不受腦組織的干擾，磁場信號相對直接地反映了神經

40、活動的變化，時間分辨率也達到了毫秒級。是目前為止比較好的一種檢測技術。3.3最新研究進展在對學習記憶的研究中發(fā)現(xiàn)，一些生物大分子(如RNA、蛋白質等)和部分神經遞質與學習記憶有著密切關系，這說明信息的儲存過程在分子水平上產生了變化。3.3.1 NMDA受體與學習記憶N-甲基-D-天門冬氨酸(NMDA)受體由NRl、NR2A和NR2B亞基組成,是一種電壓和受體雙重門控、對鈣離子有較強通透性的陽離子通道，其激活后引發(fā)的鈣離子內流是產生長時程增強(LTP)的關鍵。隨著NMDA受體亞基NR2B的表達增加，海馬區(qū)的LTP也會隨之增強，從而增強空間記憶與恐懼記憶。神經元驅動蛋白(KIF)17與NR2B 的

41、主動運輸有著密切的關系，KIFl7蛋白表達增加，將會引起突觸中NR2B高水平表達，產生更大的NMDA受體流，促進環(huán)-磷酸腺苷反應原件結合蛋白活化，產生更強、更穩(wěn)定的LTP，從而增 強學習與記憶功能。鈣離子依賴型鈣蛋白酶能夠 調節(jié)NMDA受體的降解。有實驗證明，細胞周期蛋白依賴性激酶5可調節(jié)鈣蛋白酶對NR2B的水解作用，因而在突觸可塑性和學習記憶中發(fā)揮著重要的作用。首批遺傳操作曾報道過，孤啡肽受體可增強小鼠突觸可塑性和促進學習記憶的產生。隨后的研究指出，ORL1通過增強NMDA受體的功能并加速其主要下游效應鈣調蛋白激酶的激活，對突觸可塑性和 學習記憶產生重要作用，因此NMDA受體是學習記憶正調控

42、的重要分子生物學基礎。其中NMDA受體的發(fā)現(xiàn)對人們了解長時程增強產生的機制以及它的聯(lián)合性質起了很大的推動作用。NMDA受體是一種獨特的雙重門控通道，即它受電壓門控，也受遞質門控。只有在膜去極化使堵塞通道的M92+移開后，谷氨酸與NMDA受體結合，才能使通道打開。在正常底頻率突觸傳遞時，突觸前釋放的谷氨酸可同時作用于NMDA受體和非NMDA受體，此時Na+和K+可通過非NMDA受體通道，但不能通過NMDA 受體通道，因為靜息水平的膜電位不能使M礦移開，NMDA受體通道也就不能打開。利用轉基因 技術對NMDA型受體與學習記憶之間進行了研究，證明NMDA型受體中的NR2B亞型在突觸可塑性和記憶形成的

43、年齡依賴性的門控調節(jié)中起關鍵作用16。采用單通道記錄法證實，腦源性神經營養(yǎng)因子可通過增加NMDA受體通道的開放頻率，而增加 該通道的開放幾率；同時，腦源性神經營養(yǎng)因子可特異性地增強突觸后致密物上NMDA受體亞單位NRl和NR2B的磷酸化，從而提出它的作用模型，即行為依賴性經驗激活特異性的腦源性神經營養(yǎng)因子基因啟動子，導致轉錄增強、腦源性神經營養(yǎng)因子表達增加，突觸后NMDA受體激活而產生長時程增強。另外，向腦內注射腦源性神經營養(yǎng)因子抗體阻斷了內源性腦源性神經營養(yǎng)因子的功能，導致大鼠的空間學習記憶能力下降，該實驗說明長時程增強高表達的內源性腦源性神經營養(yǎng)因子是成年鼠空間學習記憶所必需的。3.3.2

44、細胞因子與學習記憶腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)受神經突觸活動的影響而表達升高，從而對LTP發(fā)揮調節(jié)作用。BNDF的作用位點可能位于突觸前，其對LTP的作用還與增加胞內鈣離子有關。有研究表明，BNDF可使培養(yǎng)海馬神經元胞內鈣離子水平升高10倍，從而大大增強學習記憶功能過程中可能涉及胞內IP3門控鈣庫的釋放。關于IL-l對LTP和學習記憶功能作用機制的研究，近十幾年來也取得了較大的進展。動物實驗 發(fā)現(xiàn)，大鼠腦室注射白細胞介素-1(IL-1)后LTP的誘發(fā)受到抑制，空間學習能力也下降。研究發(fā)現(xiàn)，IL-1對豚鼠海馬神經元鈣離子信號的影響是通過與IL-1受體耦聯(lián)的異源三聚體敏感型G蛋白介導的，而且與蛋

45、白激酶C的激活有一定的關系，說明IL-1對鈣離子信號通路有影響17。研究發(fā)現(xiàn)，海馬IL-1B隨年齡增高而升高，并刺激活性氧產物的生成，從而使花生四烯酸等不飽和脂肪酸發(fā)生脂質過氧化，造成膜功能受損， 從而影響LTP的形成。在海馬腦片上觀察到，用絲裂原活化蛋白激酶P38的抑制劑SB203580預處理，可拮抗Ll-18對LTP誘發(fā)的抑制作用，而環(huán)氧化酶抑制劑則可逆轉IL-18對 LTP的誘發(fā)抑制。由此推測2個抑制劑可能作用于同一路徑，MAPK P38可能介導IL-18對環(huán)氧化酶的激活。 3.3.3酶與學習記憶CaMK,蛋白激酶,胞外信號調節(jié)激酶是突觸可塑性和學習記憶的正調控因子。腺苷酸環(huán)化酶通過將N

46、MDA受體鈣離子信號與下游的腺苷-3，5-環(huán)化-磷酸依賴途徑相耦合在突觸可塑性與記憶中發(fā)揮作用，其作用包括抑制因子-1(I-1)的PKA依賴性磷酸化和蛋白磷酸酶1的失活。在所有已確定的ACs中，ACl與AC8具有神經特異性。ACl在前腦中的表達可促進LTP與學習記憶。 鈣調神經磷酸酶和PPl為負調控因子。鈣調磷酸酶可以通過調節(jié)NMDA受體介導的電流、PPl和動力蛋白I的三磷酸鳥苷(GTP)酶活性，從而影響突觸可塑性。另外，在海馬神經中CN還可通過激活腺苷酸環(huán)化酶(AC)途徑對學習記憶產生影響。研究發(fā)現(xiàn)，提高CN功能可擾亂LTP和學習，反之則促進這兩個進程。反向四環(huán)素反應轉錄因子(rtTA)的激

47、活能夠抑制CN的表達?；蛲緩揭部梢种艭N，在小鼠前腦神經中刪除其調節(jié)亞基CNBl，可以導致海馬區(qū)的LTP輕微增強。PPl是誘導LTD的關鍵因子之一，被認為是學習記憶的負調控因子。在成年大鼠大脯的rtTA系統(tǒng)中，動力蛋白I-1的激活能夠抑制PPl的表達.PKA可促進動力蛋白I-1的磷酸化，通過動力蛋白I-1的激活來抑制PPl的表達。負調控機制：CN 可直接增強PPl的表達，或通過抑制動力蛋白I-1來增強PPl的表達。3.3.4基因轉錄調控相關因子與學習記憶在細胞的轉錄反應中，CREB起著翻譯各種不同行為刺激的重要作用。幾種傳遞信息的細胞內信號通路的啟動都與細胞內CREB膜受體的激活有關，包括蛋

48、白激酶A(PKA)、鈣調蛋白激酶(CaMKIV)、絲裂元和應激激活蛋白激酶(MSK)、促分裂原活化蛋白激酶和核糖體s6激酶(RSKs)等多種與突觸可塑性和學習記憶穩(wěn)定有關的蛋白質18。當增強CREB的活性，小鼠前腦的蛋白質表達增強，LTP也隨之增強。抑制誘導轉錄因子ATF4能夠增強學習記憶，延伸因子2的a亞基elF2a的磷酸化能夠刺激ATF4的翻譯，消除elF2a的激酶GCN2、或通過抑制eIF2a的磷酸化均能抑制ATF4 mRNA的翻譯，增強學習記憶能力。因此，抑制ATF4的轉錄翻譯對突觸可塑性和學習記憶來說，是一種重要的負調節(jié)。CCAAT-增強子結合蛋白(CEBP)是另一種在記憶中發(fā)揮作用

49、的轉錄因子。它的作用是調節(jié)能夠產生對記憶具有抑制作用產物的靶基因的活化。P25蛋白是一種強烈的Cdk5基因活化劑， 它的慢性激活能導致皮層和海馬區(qū)的神經元損失，嚴重地消弱突觸可塑性和學習記憶。3.3.5鈣離子穩(wěn)態(tài)與學習記憶突觸后鈣離子的增加及隨后的下游信號因子的激活，對于LTP有著重要作用，對學習記憶起正調控作用。除了通過膜通道進入細胞內，鈣離子還能夠通過三磷酸肌醇(IP3)或蘭尼堿敏感的受體(RyRs)從內部儲存中進行釋放。細胞內鈣離子 的清除是另一種調節(jié)細胞內鈣離子濃度的重要機制。鈣離子通過鈉鈣交換體(NCX)從細胞內轉運至細胞外。當大腦中缺乏NCX2時，海馬區(qū)的LTP明顯增強。以上研究證

50、明通過調節(jié)細胞內鈣離子濃 度能夠增強突觸可塑性和學習記憶能力。然而這些過程與學習記憶之間的中間機制還不甚明了。3.3.6原癌基因與學習記憶通過對小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，在海馬的椎體細胞軸突中存在原癌基因H-ras的組成型活性形式，在LTP與學習記憶的突觸前大鼠肉瘤蛋白絲裂原活化蛋白激酶(RasMAPK)信號中發(fā)揮作用曬。H-ras的突出前表達導致MAPK的活化以及其底物突觸蛋白I的磷酸化。突觸蛋白1磷酸化在囊泡對接和神經遞質釋放中具有一定作用，它可引起海馬CAl區(qū)LTP和學習記憶的增強。fos原癌基因 屬于即刻早期基囚(IEG)的一種。近年來，LTP與c-fos基因表達之問關系的研究報道甚多，初看起來意見并非統(tǒng)一，但比較分析之后便會發(fā)現(xiàn)，問題在于 LTP持續(xù)時間的長短，只要超過4 h，LTP就可誘導c-fos基因表達。因而有學者提出，IEG的表達和蛋白質的合成是LTP能夠維持數(shù)周乃至數(shù)月的物質基礎。當大腦海馬區(qū)的遠程記憶增強時，原癌基因Cbl將高度表達。研究表明，Cbl-b表達增 加時，空間學習與暫時記憶保持正