破解學(xué)習(xí)和記憶的奧秘

破解學(xué)習(xí)和記憶的奧秘關(guān)于突觸時松海獲獎工作是他解釋了“長時程增強效應(yīng)”的分子機理，對學(xué)習(xí)和記憶領(lǐng)域的研究作出了突破性的貢獻。神經(jīng)細胞直接的信息傳遞是在兩個神經(jīng)細胞的聯(lián)接部位(稱為突觸)進行。什么是突觸？既然神經(jīng)系統(tǒng)是由許多神經(jīng)元所組成，不言而喻神經(jīng)元之間必然有連結(jié)之處，據(jù)此推測英國謝靈頓(Sherrington)于1900年將神經(jīng)元之間的接點定義為突觸，隨之而來的一個重大課題就是突觸處信號傳導(dǎo)的本質(zhì)：究竟是電信號還是化學(xué)信號跨躍突觸傳導(dǎo)？經(jīng)過十年努力才確定：神經(jīng)元動作電位通常并不在神經(jīng)元間傳導(dǎo)，動作電位到達末梢處導(dǎo)致該處貯存的神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，神經(jīng)遞質(zhì)越過突觸間隙，擴散至突觸后膜并與相應(yīng)受體結(jié)合，造成受體通道開放，產(chǎn)生突觸后電位，如果是去極化電位，則稱興奮性突觸后電位(EPSP)反之則后膜超極化或更不容易興奮，稱抑制性突觸后電位(IPSP)。人腦中突觸的數(shù)量多得無法統(tǒng)計，大約比神經(jīng)元的數(shù)量高兩個數(shù)量級，突觸機制是人腦優(yōu)于電腦之處。突觸雖小，卻由兩個神經(jīng)元的成份組成，突觸前膜屬上一級神經(jīng)元，功能是接受電信號，然后將之轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號；后膜屬于下一級神經(jīng)元，功能是由受體接受化學(xué)信號，而后再將之轉(zhuǎn)化為電信號。關(guān)于神經(jīng)元整合信息是神經(jīng)元的主要功能，神經(jīng)元整合功能的原理基于膜的電學(xué)性質(zhì)，也稱膜被動性生物物理特性。一個閾下電刺激施加于膜上，就如同一粒石子投入平靜的湖面，會傳遞到一定的空間范圍和遲滯一定的時間。單個閾下刺激對于一條傳入神經(jīng)是無效的，但以高頻刺激卻可能激發(fā)動作電位引起反射活動。相繼的兩個單刺激的間隔時間不大于EPSP的衰減過程，即可總和，稱為時間總和。如果兩個神經(jīng)元同時在第三個神經(jīng)元上形成興奮性突觸，單獨刺激一個神經(jīng)元時無效，同時刺激時卻能激發(fā)第三個神經(jīng)元興奮，稱為空間總和。機體中的實際情況更為復(fù)雜，時間總和與空間總和，EPSP與IP?SP通常是結(jié)合在一起的，神經(jīng)元擁有對于大量信息的調(diào)制能力，根源就在于膜的這些簡單的生物物理學(xué)特性。人腦有大約1千億神經(jīng)元，每個神經(jīng)元與多個神經(jīng)元建立突觸，形成功能聯(lián)系。例如約8萬個神經(jīng)元與一個小腦蒲氏細胞建立突觸。如此龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)是怎樣來處理信息的？目前我們尚知之甚少，但是腦內(nèi)使用的電信號系統(tǒng)確實非常之簡單，可概括為：產(chǎn)生動作電位—末梢釋放神經(jīng)遞質(zhì)—下一級神經(jīng)元的突觸后電位繼而動作電位……如此循環(huán)逐級傳遞。突觸后電位具有分析整合功能，固然重要，但不能傳播，所以神經(jīng)系統(tǒng)使用的具有明確意義的電信號只有動作電位，似乎是整個電信號系統(tǒng)僅由一個字母組成。受調(diào)制的僅僅是它的發(fā)放頻率；動作電位時程約1毫秒，其最大頻率理論上可達1千Hz，但是實際上腦內(nèi)神經(jīng)元活動通常并不超過40Hz。腦功能源于神經(jīng)元間的正確連接，或稱神經(jīng)元布線。神經(jīng)元編碼，布線的原則和方式。其簡明，高效率，高抽象性，遠遠超乎研究者的預(yù)想；這些原則如能得到正確認識與總結(jié)，將對電訊，成像和人工智能的研究提供全新的思路和革命性的新概念。神經(jīng)元動作電位是神經(jīng)系統(tǒng)中真正重要的信號，動作電位沿神經(jīng)細胞膜呈再生性無衰減和波動式傳導(dǎo)，并不跨躍突觸，只是神經(jīng)元自身的一種狀態(tài)，表面上似乎沒有攜帶任何信息，既不是光，也不是聲，更不是氣味或力；但事實上恰恰相反，它可能攜帶任何信息，可以是光，也可以是氣味，甚至可能是情感，關(guān)鍵是信號的起點和終點，或者說決定于該神經(jīng)元所處的地位。憑借這套信號系統(tǒng)，機體可以正確地感知客觀世界并做出恰當?shù)姆磻?yīng)。人腦中每個神經(jīng)元的動作電位都是類似的，從低等動物如水蛭直到人類，動作電位基本沒有差別，使用的信號系統(tǒng)是一致的，人和水蛭所認識的客觀世界雖然不一樣，但都是相對正確的。關(guān)于長時程增強現(xiàn)象人具有學(xué)習(xí)記憶的能力，這是眾所周知的，但是其機制卻無人知曉。1970年神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了長時程增強現(xiàn)象，學(xué)界普遍認為，這可能就是學(xué)習(xí)記憶的機制。信號在神經(jīng)通路中流動，尤其是高頻率，多次重復(fù)的流動，會造成通路內(nèi)微妙的變化，再碰上類似信號時通路會更為通暢；這種信息流動的易化是腦最重要的功能之一，即學(xué)習(xí)記憶功能。什么是長時程增強？人腦由近千億神經(jīng)元組成，每個神經(jīng)元都與特定的一批神經(jīng)元相連，這樣組成為各種神經(jīng)通路，從而完成信息處理和輸出功能，支配機體正常運轉(zhuǎn)。神經(jīng)元連接的部位稱為突觸。1949年Hebb提出一條定律：使用頻繁的突觸聯(lián)系會變得更緊密，可理解為突觸的特點是用進廢退。長時程增強是Hebb學(xué)說的實驗證據(jù)：高頻刺激突觸前神經(jīng)元后，在突觸后神經(jīng)元上紀錄到的電位會增大，而且會維持相當長的時間。關(guān)于時松海的實驗時松海的實驗揭示了產(chǎn)生長時程增強的一種機制，證明此時突觸后膜上受體密度增加。突觸雖小，只有用電子顯微鏡才能看到，但是突觸的結(jié)構(gòu)和信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)換卻非常復(fù)雜，突觸前神經(jīng)元受到足夠大的電刺激后，突觸前膜會釋放化學(xué)物質(zhì)——神經(jīng)遞質(zhì)，越過突觸間隙，與突觸后膜上的受體相結(jié)合，然后造成后膜上的電位變化，從而完成信號傳導(dǎo)功能。不言而喻，如果高頻刺激會造成突觸后膜上受體密度增加，則可以解釋長時程增強現(xiàn)象，而且可能這就是學(xué)習(xí)記憶的機制。實驗中，他將編碼綠色熒光蛋白的DNA(脫氧核糖核酸)片斷與編碼受體的DNA連接后轉(zhuǎn)導(dǎo)入突觸前神經(jīng)元內(nèi)，結(jié)果受體分子帶上了熒光，因此可用熒光顯微鏡觀察和拍照。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高頻刺激后原來位于細胞液內(nèi)的受體分子，向突觸后膜集中。實驗使用了生物學(xué)研究的多種重要技術(shù)，設(shè)計具有創(chuàng)意，得到了重大的成果。機體的活動基本上都可以用反射來解釋，刺激引發(fā)信息在反射弧中流動；反射弧的結(jié)構(gòu)(神經(jīng)通路)是由遺傳決定，機體生來具有的，反射弧的效率是由后天的學(xué)習(xí)訓(xùn)練所改變的。目前學(xué)界推測學(xué)習(xí)記憶的機制可能是：1.突觸前膜內(nèi)遞質(zhì)量的變化2.突觸后膜上受體量的變化3.突觸數(shù)目的增減上述每一種學(xué)說都有一定的實驗證據(jù)，但都不夠充分。其實無論哪一種變化都涉及到細胞合成蛋白質(zhì)種類和數(shù)量的變化，而這又是由化學(xué)信號分子經(jīng)由胞內(nèi)信號傳導(dǎo)代謝途徑作用于胞內(nèi)基因并導(dǎo)致基因表達改變所致。所以許多基因都與學(xué)習(xí)與記憶有關(guān)，缺失其中任何一個基因的突變體都可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶障礙。時