學(xué)習(xí)與記憶的分子基礎(chǔ)

第八章

學(xué)習(xí)與記憶的分子基礎(chǔ)

大腦的學(xué)習(xí)記憶部位主要是大腦皮質(zhì)聯(lián)合區(qū)、海馬及臨近結(jié)構(gòu)、丘腦、下丘腦等腦區(qū)，記憶的主要單位是神經(jīng)系統(tǒng)的突觸部位。

第一節(jié)學(xué)習(xí)記憶中LTP發(fā)生的精微區(qū)域

在學(xué)習(xí)記憶信息加工儲存過程中，來自不同感受器的信息，通過各自的信息通道存儲在腦的不同部位，從而形成不同的記憶形式，如瞬時(shí)記憶、短時(shí)記憶、長時(shí)記憶等。

瞬時(shí)記憶是在感覺信息從感受器到達(dá)相應(yīng)腦皮質(zhì)區(qū)之間流動(dòng)過程中形成的，主要是把刺激信號轉(zhuǎn)化成電信號。

到達(dá)大腦皮質(zhì)后，如果繼續(xù)活動(dòng)，就會轉(zhuǎn)化成工作記憶，記錄在相應(yīng)腦區(qū)；如果需要繼續(xù)加工，則通過該區(qū)的皮質(zhì)向額葉傳遞，在此過程中，也可以產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，經(jīng)過額葉加工后，還可以進(jìn)一步輸出運(yùn)動(dòng)信息或者進(jìn)行更深入的加工形成長時(shí)記憶。

要產(chǎn)生長時(shí)記憶，則邊緣系統(tǒng)(limbicsystem)的作用是很關(guān)鍵的。邊緣系統(tǒng)包括海馬(hippocampus，在顳葉)、杏仁核(Amygdala,在顳葉)和邊緣皮質(zhì)(limbiccortex，和腦干結(jié)合)。

1.1海馬區(qū)域

在與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的腦區(qū)中，海馬結(jié)構(gòu)的作用顯得特別突出，尤其在短時(shí)記憶過渡到長時(shí)記憶的過程中起著重要作用，人們就是通過對海馬結(jié)構(gòu)與功能的研究，才發(fā)現(xiàn)了LTP現(xiàn)象的。

海馬的不同區(qū)域參與不同類型的學(xué)習(xí)和記憶，海馬CA3區(qū)可能與長時(shí)記憶有關(guān)，CAl區(qū)可能與分辨學(xué)習(xí)有關(guān)。其信息途徑：齒狀回是海馬的傳入門戶，主要有顆粒細(xì)胞；它接受內(nèi)嗅區(qū)的傳入纖維，發(fā)出苔醉纖維（圖中是苔狀纖維）到CA3區(qū)，其軸突又組成了海馬的傳出纖維與CAI區(qū)錐體細(xì)胞形成突觸，CAI區(qū)發(fā)出的纖維又回到內(nèi)嗅區(qū)，形成一個(gè)連續(xù)的四級神經(jīng)元突觸聯(lián)系環(huán)路，又叫三突觸回路，它與長時(shí)記憶功能及LTP的形成有關(guān)。

在海馬結(jié)構(gòu)的三突觸回路中，Glu是主要的神經(jīng)遞質(zhì)，Glu在海馬內(nèi)主要有2種受體，即NMDA和非NMDA，而Glu與它們的相互作用，正是LTP形成并保持的分子機(jī)制。

1.2松仁核

褪黑素（melatonin,MLT）是杏仁核合成和分泌的一種吲哚類神經(jīng)激素，褪黑素對持續(xù)光照或藥物引起的學(xué)習(xí)記憶障礙有改善作用。褪黑素可縮短大鼠嗅覺群體記憶的識別時(shí)間，據(jù)此認(rèn)為褪黑素對學(xué)習(xí)記憶有增強(qiáng)作用。杏仁核源性褪黑素具有提高大鼠在Morris水迷宮的學(xué)習(xí)記憶能力。去杏仁核使體內(nèi)褪黑素減少，可導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶功能及SVZ神經(jīng)干細(xì)胞增殖能力出現(xiàn)相似的明顯下降趨勢，褪黑素替代治療后可使上述指標(biāo)出現(xiàn)相似的明顯升高趨勢并接近正常水平。提示褪黑素可能通過作用于局部神經(jīng)干細(xì)胞以及星形膠質(zhì)細(xì)胞上的相應(yīng)受體的機(jī)制來促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞增殖，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)記憶能力。

杏仁核中與學(xué)習(xí)記憶和LTP現(xiàn)象直接相關(guān)的分子除了上述的褪黑素（melatonin,MLT）外，尚有MAPK、PI-3kinase、Akt、PTEN和Calcineurin等。杏仁核中PI-3kinase、MAPK與Akt的磷酸化水平上升，有利于腦的長時(shí)記憶以及LTP現(xiàn)象的產(chǎn)生；PTEN是一種同時(shí)具有蛋白去磷酸酶與脂質(zhì)去磷酸酶雙重作用的蛋白質(zhì)，它會去磷酸化PI-3kinase產(chǎn)物—phosphatidylinositol3,4,5-triphosphate(PIP3)—的D3位置，而負(fù)向調(diào)控了PI-3kinase路徑的進(jìn)行；蛋白磷酸酶Calcineurin（CN）是導(dǎo)致Akt磷酸化降低的原因，因而也可以負(fù)調(diào)節(jié)杏仁核在學(xué)習(xí)記憶中的作用。

另外，杏仁核還是情緒方面的總管；事實(shí)上杏仁核與所有強(qiáng)烈的情感有關(guān)?？梢娙四X有兩套記憶系統(tǒng)，一套記憶一般事物，一套記憶具情緒意涵的事物。也就是說，與情緒相關(guān)的學(xué)習(xí)記憶反應(yīng)是屬于杏仁核區(qū)的神經(jīng)所進(jìn)行的。

1.3前額葉（老年記憶障礙）

額葉是大腦發(fā)育中最高級的部分，它包括初級運(yùn)動(dòng)區(qū)、前運(yùn)動(dòng)區(qū)和前額葉(prefrontalcorte,PF)，其中PF與認(rèn)知功能關(guān)系密切。PF與大腦其它區(qū)域有著密切關(guān)系。PF和所有的感覺區(qū)都有往返的纖維聯(lián)系，其眶后部和腹內(nèi)側(cè)部有投射到海馬旁回和海馬前下腳的纖維，組成了內(nèi)側(cè)顳葉-間腦系統(tǒng)的一部分；PF與紋狀體、杏仁核、顳葉、枕葉和頂葉等腦區(qū)的聯(lián)系也很密切，因此，PF與多種感覺信息的加工、記憶、思維及情緒等腦的高級功能有關(guān)。

第二節(jié)LTP、LTD與學(xué)習(xí)記憶的關(guān)系

長時(shí)程增強(qiáng)(long-termpotentiation，LTP)是當(dāng)以一個(gè)或幾個(gè)頻率為10～20Hz，串長為10～15S或頻率為100Hz，串長為3～4S的電刺激為條件刺激時(shí)，繼后的單個(gè)刺激，在海馬的齒狀回中，會引起群峰電位和群體興奮性突觸后電位的振幅增大，群體峰電位的潛伏期縮短，并且這種易化現(xiàn)象可持續(xù)10小時(shí)以上，于是將這種現(xiàn)象稱LTP；即LTP是指給突觸前纖維一個(gè)短暫的高頻刺激后，突觸傳遞效率和強(qiáng)度增加幾倍且能持續(xù)數(shù)小時(shí)至幾天保持這種增強(qiáng)的現(xiàn)象。

LTP的形成和維持是突觸前和突觸后機(jī)制聯(lián)合作用產(chǎn)生的，并且以突觸后機(jī)制為主。關(guān)于LTP形成的突觸后機(jī)制與N-甲基-D-門冬氨酸(NMDA)受體,及該受體激活后的細(xì)胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)密切相關(guān)。近年來研究表明，α-氨基羥甲基惡唑丙酸(AMPA)受體在LTP的表達(dá)中也發(fā)揮重要作用。另外，代謝型谷氨酸受體(mGluRs)可以與G蛋白偶聯(lián)，通過細(xì)胞內(nèi)多種信使系統(tǒng)介導(dǎo)慢突觸傳遞，在LTP的誘發(fā)中起重要的調(diào)節(jié)作用。而且，LTP的形成和維持還需逆行信使的參與。

LTP有三個(gè)基本特征：①協(xié)同性（Cooperativity）：誘導(dǎo)LTP需要很多纖維同時(shí)被激活；觸效能。

LTP就是通過突觸后細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的升高及各種信號級聯(lián)反應(yīng)的激活形成的。在LTP產(chǎn)生的分子機(jī)制中，Ca2+通過NMDA受體通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，迅速激活CaMKⅡ，在持續(xù)激活狀態(tài)CaMKⅡ可直接磷酸化AMPA受體G1uR1亞型絲氨酸殘基。AMPA受體特別是G1uR1亞型磷酸化，可增強(qiáng)AMPA受體介導(dǎo)的單通道傳導(dǎo)增強(qiáng)。而且，AMPA受體介導(dǎo)的單通道傳導(dǎo)增強(qiáng)也可在LTP誘導(dǎo)后產(chǎn)生。故LTP可能是通過CaMKⅡ介導(dǎo)AMPA受體G1uR1亞型磷酸化而產(chǎn)生的。

4.2.3

AMPA受體在小腦LTD信號傳導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)

海馬腦區(qū)的認(rèn)知性學(xué)習(xí)記憶功能，主要通過海馬細(xì)胞上的NMDA受體及其神經(jīng)細(xì)胞突觸的LTP來實(shí)現(xiàn)；而小腦運(yùn)動(dòng)性學(xué)習(xí)記憶則主要是通過小腦蒲肯野氏細(xì)胞上的AMPA受體及其突觸的LTD來完成學(xué)習(xí)記憶過程。

4.2.4

AMPA受體與學(xué)習(xí)記憶

小腦的學(xué)習(xí)記憶是與AMPA有著相當(dāng)密切的關(guān)系。小腦的學(xué)習(xí)記憶形式是運(yùn)動(dòng)性學(xué)習(xí)記憶，它是快速、準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)所必需的學(xué)習(xí)和記憶過程，是區(qū)別于大腦海馬認(rèn)知性學(xué)習(xí)記憶的另一種重要的學(xué)習(xí)記憶類型。

大腦海馬的認(rèn)知性學(xué)習(xí)記憶功能主要通過海馬細(xì)胞上的NMDA受體及其神經(jīng)細(xì)胞突觸的LTD來實(shí)現(xiàn)；而小腦運(yùn)動(dòng)性學(xué)習(xí)記憶的機(jī)制則主要是通過小腦蒲肯野氏細(xì)胞上的AMPA受體及其突觸的LTD來完成學(xué)習(xí)記憶過程的。

4.3

代謝型谷氨酸受體（mGluRs）及其在LTP中的作用

4.3.1

mG1uRs的特征

mG1uRs是G蛋白偶聯(lián)受體，根據(jù)氨基酸序列的同源性及細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)機(jī)制的不同等，可將其分為3組8個(gè)亞型。

mG1uR1和mG1uR5為第一組，與PLC偶聯(lián)，PLC激活后促使PI水解成為IP3和DAG，使細(xì)胞內(nèi)鈣庫釋放Ca，并激活PKC；

mG1uR2和mG1uR3為第二組，與AC偶聯(lián)；

mG1uR4、mG1uR6、mG1uR7和mG1uR8為第三組，也與AC偶聯(lián)。

第一組mG1uRs在CA1區(qū)的突觸后膜上很有規(guī)律的地排列于突觸周圍區(qū)域靠近NMDA受體的部位，通過一分子骨架交聯(lián)在一起。這種結(jié)構(gòu)在突觸傳遞的可塑性中有重要作用。

GluR主要有兩種形式，一種為3-TM型，NH2端和COOH端分別在膜的兩側(cè)，另一種是4-TM型，NH2端和COOH端在膜的一側(cè)（圖8）。

4.3.2

mG1uRs在LTP中的作用

mG1uRs與G蛋白偶聯(lián)，通過細(xì)胞內(nèi)的多種信使系統(tǒng)介導(dǎo)慢突觸傳遞。mG1uRs廣泛分布于腦內(nèi)，它激活后可調(diào)節(jié)神經(jīng)元上Ca、K等重要的離子通道和γ-氨基丁酸受體A型及離子型谷氨酸受體(如NMDA受體)等，從而在LTP的誘發(fā)中發(fā)揮重要作用。

4.4

鈣調(diào)磷酸酶（CN）及其在LTP中的作用

鈣調(diào)磷酸酶(calcineurin，CN)是一種由細(xì)胞內(nèi)鈣調(diào)控的絲/蘇氨酸蛋白酶，研究證明CN參與了神經(jīng)元突觸的可塑性、神經(jīng)突起的生長。

發(fā)現(xiàn)CNAα在大腦皮層、海馬、紋狀體有高表達(dá)，在小腦、中腦、腦干有低表達(dá)。提示CNAα選擇性地參與了突觸的去增強(qiáng)效應(yīng)，CNAβ可能選擇性地參與了海馬的LTD形成。CN參與了短期記憶轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期記憶的過程。

胞內(nèi)Ca濃度升高從而使CaM與CN結(jié)合，激活CN的蛋白磷酸酶活性，將蛋白磷酸酶1(PP1)的調(diào)節(jié)物—抑制物-1(I-1)去磷酸化，使之對PP1的抑制作用消失。失去抑制物的PP1使其底物之一：磷酸化的cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)脫磷酸失活，使cAMP反應(yīng)元件(CRE)依賴的基因表達(dá)與CREB失偶聯(lián)，最終導(dǎo)致對記憶形成的反向調(diào)節(jié)。

第五節(jié)神經(jīng)細(xì)胞粘附分子與學(xué)習(xí)記憶

記憶的形成階段包含著神經(jīng)元突觸的可塑性變化過程。神經(jīng)細(xì)胞粘附分子(neuralcelladhesionmolecules，NCAMs)可同時(shí)增進(jìn)突觸的可塑性和維持突觸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,神經(jīng)細(xì)胞粘附分子對與學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的過程起著一定的調(diào)節(jié)作用。

有幾方面的事實(shí)支持NCAMs在突觸可塑性和記憶中的作用：a）在那些持續(xù)性突觸發(fā)生和可塑性的腦區(qū),有與軸突在發(fā)育階段生長類似的特征性的NCAM的表達(dá)；b）在突觸可塑性和學(xué)習(xí)中可檢測到NCAMs的表達(dá)或翻譯后修飾作用；c）特異的針對NCAMs或相應(yīng)合成多肽的抗體可阻止LTP或記憶的產(chǎn)生；d）轉(zhuǎn)基因小鼠中抑制NCAMs的表達(dá)導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶障礙。

在神經(jīng)元發(fā)育過程中，NCAMs不僅在神經(jīng)元的識別和粘附中有重要的作用，而且在神經(jīng)元突觸的生長過程中也發(fā)揮重要作用。

許多證據(jù)表明NCAMs可能是通過調(diào)節(jié)第二信使的水平來影響神經(jīng)元的功能的。也就是說NCAMs對神經(jīng)元的作用與信息傳導(dǎo)過程有關(guān)。

許多研究還表明，唾液酸多聚體（PSA）是NCAMs功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。從胚胎腦中分離出的NCAMs含大量PSA，PSA的表達(dá)同相應(yīng)的神經(jīng)元可塑性變化有著一致的時(shí)序。PSA可促進(jìn)神經(jīng)元生長并可能參與信號的傳導(dǎo)機(jī)制；出生后，其表達(dá)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)被下調(diào)；成年時(shí)PSA在神經(jīng)元可塑性較大的區(qū)域(比如海馬)維持著較高的表達(dá)水平。

大量證據(jù)表明LTP和記憶產(chǎn)生過程伴隨著突觸形態(tài)的變化和數(shù)目的增加。NCAMs在LTP和記憶伴隨的突觸重建過程中起著非?；钴S的作用。

第六節(jié)MAPK級聯(lián)信號通路與LTP

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinases，MAPK)級聯(lián)信號通路是介導(dǎo)細(xì)胞反應(yīng)的重要信號系統(tǒng)，能夠?qū)Χ喾N細(xì)胞生長因子和促進(jìn)有絲分裂物質(zhì)作出反應(yīng)，把細(xì)胞外信號從細(xì)胞表面?zhèn)鲗?dǎo)到細(xì)胞核內(nèi)部,在細(xì)胞的增殖和分化過程中發(fā)揮重要的作用。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，成熟神經(jīng)元幾乎不再增殖和分化，但是MAPK及其上游調(diào)節(jié)物質(zhì)和下游作用分子仍然廣泛分布存在。近年來的研究表明，MAPK對LTP以及學(xué)習(xí)記憶過程具有重要的調(diào)節(jié)作用。

MAPK與海馬LTP及突觸可塑性

在對學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)以及LTP的誘導(dǎo)和維持的研究中發(fā)現(xiàn)，作用于MAPKs的一些工具藥物可以影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的學(xué)習(xí)記憶能力，并可以影響海馬LTP的誘導(dǎo)和維持；作用于不同MAPKs亞族的工具藥物對LTP的影響又不盡相同。

第七節(jié)逆行信使及其作用機(jī)制

一般來講，神經(jīng)信號傳遞方向是從突觸前到突觸后，而在大鼠海馬LTP產(chǎn)生和維持中，研究者觀察到信息的從突觸后到突觸前的跨突觸逆行傳遞，如蛋白質(zhì)、K+、膜磷脂代謝產(chǎn)物(花生四稀酸、血小板活性因子)、氣體分子NO和CO等，都可自由通過胞膜到達(dá)突觸前膜，它們被認(rèn)為是對突觸前遞質(zhì)釋放起加強(qiáng)作用的逆行信使。

將外源性的NO和CO直接施入海馬腦片，觀察對神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)電位的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，給腦片施加弱的強(qiáng)直刺激的同時(shí)，給予NO或CO，可使這一強(qiáng)直刺激發(fā)出的突觸電位快速、長時(shí)程地增大。這一長時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)在空間上限于被激活的突觸前纖維的突觸，并能阻斷由強(qiáng)的強(qiáng)直刺激所產(chǎn)生的LTP。NO和CO的這一增強(qiáng)效應(yīng)不能被NMDA受體阻斷劑所阻斷，可見NO和CO是逆NMDA受體發(fā)揮作用的。

7.1

CO與長時(shí)程增強(qiáng)(LTP)

海馬LTP作為突觸形成的模式已被廣泛接受，LTP承擔(dān)學(xué)習(xí)和記憶的一定形式，干擾LTP的形成就能干擾學(xué)習(xí)和記憶。內(nèi)源性CO的產(chǎn)生至少有兩條途徑：大部分來自依賴還原型輔酶-Ⅱ(NADPH)的血紅素氧化分解；少部分來自有機(jī)分子如酚、組織、脂肪的依賴NADPH的微粒體脂質(zhì)過氧化，后一途徑產(chǎn)生的CO是否有生理作用，以及是否能被細(xì)胞調(diào)節(jié)，尚不清楚。

CO參與海馬LTP的形成，參與學(xué)習(xí)和記憶過程；血紅素加氧酶-1(HO-1)的抑制劑鋅原卟啉(ZnPP-9)可阻斷成年豚鼠海馬CA1區(qū)LTP的形成，并能消除以往已形成的LTP。

ZnPP-9主要是通過與HO活性位點(diǎn)結(jié)合，抑制HO活性，進(jìn)而不能產(chǎn)生CO，并以劑量依賴方式阻斷LTP的形成，證明CO作為逆向信使參與LTP的形成，可能與突觸前增強(qiáng)和局限的突觸后效應(yīng)有關(guān)。

7.2

NO與長時(shí)程增強(qiáng)(LTP)

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，內(nèi)源性的NO是在NOS催化L-精氨酸生成瓜氨酸而釋放的。NO作為逆行信使，符合三個(gè)基本條件：①在突觸后神經(jīng)元內(nèi)產(chǎn)生，抑制該物質(zhì)生成的方法亦能抑制LTP的形成。已有資料表明海馬突觸后錐體細(xì)胞的胞體和樹突中存在一氧化氮合酶(NitricOxideSynthase,NOS)；②必須從突觸前擴(kuò)散到突觸后，并作用于突觸前位點(diǎn)；③該物質(zhì)作用迅速具備短距離作用的特征以保證LTP產(chǎn)生的突觸特異性。

NO是一種半衰期只有4～6秒的高度可溶性跨膜氣體,可保證其作用的快速有效與特異性。

作為逆行信使的NO對LTP形成的其作用方式是多樣的、復(fù)雜的。

7.3

NO與學(xué)習(xí)記憶

總而言之，NO參與學(xué)習(xí)記憶過程,但并不是所有學(xué)習(xí)記憶過程均是NO依賴性的。另外，越來越多的證據(jù)也表明NO只是參與某些區(qū)域LTP的形式，并不是所有部位的LTP均是NO依賴的。

第九節(jié)RNA與學(xué)習(xí)和記憶

RNA在形成長時(shí)記憶過程中起重要作用。訓(xùn)練大白鼠爬傾斜45°的鋼絲，訓(xùn)練成功后將其處死，分析前庭外側(cè)核中的神經(jīng)細(xì)胞核中RNA堿基對組成，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練組與對照組大不相同，訓(xùn)練組腺嘌呤含量增高，胞嘧啶減少，據(jù)此推想，訓(xùn)練組前庭外側(cè)核神經(jīng)細(xì)胞核中有新的RNA合成。

對金魚和小白鼠應(yīng)用放線菌阻抑RNA多聚酶的活性，導(dǎo)致動(dòng)物長時(shí)