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一個迷思?如果記憶可以再生,你會將它轉移嗎?

2019-12-19 09:50:48  來源:新浪科技

北京時間12月19日消息,記憶研究一直是科學的前沿,但也是一個奇怪的領域。20世紀50年代,在美國密歇根大學,原本默默無聞的心理學教授詹姆斯·麥康奈爾(James McConnell)利用渦蟲進行了一系列實驗,并由此一舉成名,登上了新聞頭版。這些渦蟲之所以令麥康奈爾著迷,不僅因為它們具有“真正以突觸相連的神經系統類型”,還因為它們有著“強大的再生能力……在最極端的條件下可以被切成多達50塊”,而每個部分都能再生成“一個完整的、功能齊全的有機體”。

在早期的實驗中,麥康奈爾通過電擊配合閃爍的燈光來訓練這些渦蟲,就像巴甫洛夫一樣。最后,只需要用燈光照射就可以使渦蟲產生收縮反應。然而,當他將渦蟲切成兩半的時候,有趣的事情發生了。有頭部的那一半渦蟲長出了尾巴,它保留了訓練的記憶,這還是可以理解的;令人驚訝的是,只有尾巴的另一半渦蟲長出了頭部,但也保留了訓練的記憶。麥康奈爾開始思索,如果無頭渦蟲能再生記憶,那這些記憶存儲在哪里呢?如果某些記憶可以再生,那能否將其轉移呢?

最后,盡管《暖暖內含光》對記憶科學進行了異想天開的描寫,但這部電影可能無意中發現了一個正確的前提

最后,盡管《暖暖內含光》對記憶科學進行了異想天開的描寫,但這部電影可能無意中發現了一個正確的前提

也許可以。瑞典神經生物學家霍爾格·海登(Holger Hyden)在20世紀60年代曾提出,記憶儲存在神經元細胞內部,尤其是核糖核酸(RNA)中。RNA是負責傳遞信息的分子,能從脫氧核糖核酸(DNA)那里獲得指令,利用核糖體生成蛋白質。麥康奈爾對海登的研究產生了興趣,他切下經過訓練的渦蟲的一部分,移植到未經訓練的渦蟲身上,試圖檢測一種他稱為“記憶RNA”的假想分子。他的目標是將RNA從一只渦蟲轉移到另一只渦蟲上,但在移植時遇到了困難。他轉而采用一種“更驚人的組織轉移方式,即‘同類相食’”。渦蟲也剛好是同類相食的,因此麥康奈爾只需要把受過訓練的渦蟲混合起來,喂給那些沒有受過訓練的同類。渦蟲缺乏可以完全分解食物的酸和酶,所以麥康奈爾希望一些RNA可以整合到這些取食同類的渦蟲中。

令人震驚的是,麥康奈爾的研究結果顯示,未經訓練的渦蟲通過食用受過訓練的渦蟲,其學習能力得到了提升。在其他實驗中,他訓練渦蟲穿越迷宮,甚至開發了一種從訓練過的渦蟲身上提取RNA的技術,以便將其注入未經訓練的渦蟲體內,從而實現將記憶從某一動物傳遞給另一動物。在1988年退休后,麥康奈爾淡出了人們的視線,他的工作成果被安排在教科書的邊角,作為一個奇怪但具有警示意義的故事。許多科學家只是簡單地認為,像渦蟲這樣的無脊椎動物是無法被訓練的,這使得麥康奈爾的工作很容易被忽視。麥康奈爾還在自己的期刊《蠕蟲信使文摘》(The Worm Runner ‘s Digest)上發表了一些研究成果,以及科幻幽默故事和漫畫。不過,故事的結局并不美妙,沒有多少人對重復他的發現感興趣。

盡管如此,麥康奈爾的工作在近年來得到了某種復興,一些富有創新精神的科學家開始重新關注這一問題,比如美國塔夫茨大學專門研究肢體再生的生物學家邁克爾·萊文(Michael Levin),他以現代化和自動化的方式復制了麥康奈爾的渦蟲迷宮訓練實驗。萊文把一條渦蟲的尾巴切掉,通過向切口發射生物電,促使渦蟲重新長出了一個頭。這一實驗使渦蟲重新流行起來,萊文也被冠以“年輕的弗蘭肯斯坦”的綽號。萊文還向太空發射了15塊渦蟲碎片,最終只有一塊返回,奇怪的是,它長出了兩個頭。“太令人驚訝了,”萊文和他的同事寫道,“在水中再次切開這只雙頭渦蟲,又一次導致了雙頭表型。”

大衛·格蘭茲曼(David Glanzman)是加州大學洛杉磯分校的神經生物學家,他最近正在從事另一個很有前景的研究項目,與麥康奈爾的渦蟲記憶實驗有異曲同工之妙。不過格蘭茲曼的實驗室用的不是渦蟲,而是主要與海兔(Aplysia)有關。這類可愛的軟體動物受到神經科學家的偏愛,因為它們具有相對簡單的神經系統。海兔是一類體型較大的海蛞蝓,可以在水中游動,具有波狀的肉鰭。

2015年,格蘭茲曼對教科書中的記憶理論進行了試驗。該理論認為,記憶儲存在連接神經元的突觸中。他的團隊試圖在海兔身上創造并抹去記憶。通過周期性地溫和電擊,訓練海兔延長防御性的避縮反射(在受到觸摸時,海兔的虹吸管會收縮)。在訓練之后,研究人員觀察到,海兔體內感覺觸摸的感覺神經元和觸發虹吸管反射的運動神經元之間,生長出了新的突觸。訓練后這些神經元之間聯系的增強似乎證實了記憶儲存在突觸連接中的理論。格蘭茲曼的研究小組還試圖斷開神經元之間的突觸連接,以消除訓練的記憶。結果發現,這些海兔隨后確實表現得好像失去了記憶,這進一步證實了突觸記憶理論。在研究人員對海兔進行“提醒”電擊后,他們驚奇地發現,神經元之間迅速形成了不同的、更新的突觸連接。然后,這些海兔表現得它們好像記起了之前忘記的敏化訓練。

如果記憶在這種重大的突觸變化中能持續存在,即使通過訓練產生的突觸連接消失,并且由完全不同的新突觸取而代之,記憶也可以保留下來,那記憶也許并不是真的存儲在突觸中。這個實驗就像電影《暖暖內含光》(Eternal Sunshine of The Spotless Mind)里的場景一樣。這部電影在某種程度上表明,記憶永遠不會完全消失,即使是那些似乎早已被遺忘的人和地方,也總是有可能尋回些許記憶。

但是如果記憶不是存儲在突觸連接中,那它們存儲在哪里呢?格蘭茲曼提出了一個不太流行的假設:記憶可能儲存在神經元細胞的細胞核中,在那里,DNA和RNA序列構成了生命過程的指令。DNA序列是固定不變的,因此生物體的大部分適應性來自靈活的表觀遺傳機制,即根據環境條件或壓力(有時涉及RNA)來調節基因表達的過程。如果說DNA是印刷好的樂譜,那RNA誘導的表觀遺傳機制就像即興的剪輯和重排,可能指引了學習和記憶。

也許記憶存在于由RNA引起的表觀遺傳變化中。格蘭茲曼的團隊將目光投回海兔,對它們進行了兩天多的訓練,以延長虹吸管收縮反射。然后,他們解剖了海兔的神經系統,提取了參與形成訓練記憶的RNA,并將其注射到未經訓練的海兔體內,然后在一天后進行學習測試。研究團隊發現,來自訓練供體的RNA可以誘導學習,而來自未經訓練供體的RNA則不起作用。他們將一種記憶從某一動物轉移到另一動物身上,盡管有點模糊,但又確定無疑。他們用強有力的證據證明,RNA是記憶轉移的媒介。

現在,格蘭茲曼認為,突觸是激活記憶的必要條件,但記憶是通過表觀遺傳變化編碼在神經元的細胞核中。“這就像沒有手的鋼琴家,”格蘭茲曼說,“他可能知道如何演奏肖邦,但他也需要雙手來練習記憶。”

美國塔夫茨大學保羅·艾倫探索中心的科學家道格拉斯·布萊基斯頓(Douglas Blackiston)對昆蟲記憶進行了研究,結果也得出了類似的結論。他想知道蝴蝶是否還記得其作為毛毛蟲的生活,于是,他將毛毛蟲暴露在乙酸乙酯的氣味中,然后輕微電擊,使其對乙酸乙酯產生厭惡情緒。之后,這些毛毛蟲蛹化,幾周后變成成年蝴蝶。此時研究人員再次測試它們對厭惡訓練的記憶。令人驚訝的是,成年蝴蝶居然能記得這些厭惡的反應。但是,它們怎么記住的呢?在蛻變成蝴蝶之前,毛毛蟲身體變成了一團細胞質湯。“重構是災難性的,”布萊基斯頓說,“畢竟,它們正在從爬行機器向飛行機器轉變。不僅是身體,整個大腦都需要重新連接。”

我們很難研究昆蟲活體蛹化過程中究竟發生了什么,但有一部分毛毛蟲神經元可能一直存在于所謂的“蕈形體”中,這是許多昆蟲觸角附近的一對嗅覺結構。換句話說,一些結構仍然保留了下來。“這不是(細胞質)湯,”布萊基斯頓說,“也可能是湯,但里面有一些小塊。”在蛹化過程中,神經元幾乎都經歷了修剪,剩下的少數神經元與其他神經元斷開,它們之間的突觸連接在這個過程中被溶解,直到它們在蝴蝶大腦的重構過程中與其他神經元重新連接。與格蘭茲曼一樣,布萊基斯頓也用手做了一個類比,他說:“就像一小群神經元手牽著手,然后松開,四處移動,最后與新大腦中的不同神經元重新連接。”布萊基斯頓推測,如果記憶真的被保存下來的話,那它可能就存儲在蕈狀體的神經元中。蕈狀體是唯一已知從毛毛蟲傳遞到蝴蝶的結構。

最后,盡管《暖暖內含光》對記憶科學進行了異想天開的描寫,但這部電影可能無意中發現了一個正確的前提。格蘭茲曼和布萊基斯頓認為,他們的實驗不僅為阿爾茨海默癥患者帶來了希望,使受損神經元的修復成為可能。至少在理論上,這些神經元可以在合適的RNA引導下,找回丟失的記憶。(任天)

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