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诺奖得主开创性成果——找回“丢失”的记忆

利用光来激活一些脑细胞可以唤回因遗忘而“丢失”的记忆。在发表于5月29日《科学》(Science)杂志上的一篇论文中,来自麻省理工学院的研究人员透露利用一种称作为光遗传学(optogenetics)的技术,他们能够重新激活以其他方式无法恢复的记忆。


文章的资深作者是麻省理工学院生物系教授、Picower学习与记忆研究所RIKEN-MIT中心主任利根川进(Susumu Tonegawa)。他因为“发现抗体多样性的遗传学原理”获得了1987年的诺贝尔生理学或医学奖。利根川进教授是日本首位诺贝尔医学奖得主,也是极少数“独得”该奖项的科学家。


利根川进说,这一研究成果解答了神经科学领域一个争论激烈的、有关失忆本质的问题。在外伤性损伤、压力或诸如阿尔茨海默氏症一类的疾病之后出现的逆行性遗忘,是一些特定的脑细胞受损所导致(这意味着记忆无法被储存),还是由于通往记忆的通道被阻断,阻止了回想起记忆,是多年来神经科学研究人员一直争论不休的一个问题。


利根川进说:“大多数的研究者都支持存储理论,但在这篇论文中我们证实这一多数人青睐的理论有可能是错误的。失忆是一个记忆提取障碍问题。”


记忆研究人员过去猜测,在大脑网络的某处存在着一群在记忆获得过程中激活的神经元,是它们造成了持久的物理或化学改变。


如果这群神经元随后能够被某一触发事件,例如特殊的视觉情景或嗅觉重新激活,就可以唤回完整的记忆。这些神经元被称作为是“记忆痕迹细胞”( memory engram cells)。


用光照射


2012年,利根川进研究小组利用光遗传学(这一技术是通过将一些蛋白质添加到神经元中,使得它们可以被光激活),第一次证实了确实有这样的一群神经元存在于称作为海马的大脑区域。


然而直到现在也没有人能够证明,这群神经元在记忆巩固过程中经历了持久的化学改变。其中一种称作为“长时程增强(LTP)”的改变与突触强化有关。


为了弄清楚是否确实发生了这些化学改变,研究人员首先鉴别出了海马中的一组记忆痕迹细胞,在采用光遗传学工具激活时,它们能够表达记忆。


随后当他们记录这群特殊细胞的活动时,发现连接它们的突触增强。利根川进说:“我们第一次证实了,这些存在于海马中的一小群特化细胞经历了这种突触强度增强。”


研究人员随后设法揭示了没有这种巩固过程记忆会发生什么改变。通过在小鼠形成新记忆后立即给予一种叫做茴香毒素(anisomycin)的化合物,来阻断神经元内的蛋白质合成,研究人员阻止了突触强化。


当他们某天回过头,设法通过一种情感触发事件来重新激活记忆时,他们发现找不到记忆的踪迹。“即便记忆痕迹细胞在那里,没有蛋白质合成这些细胞的突触不会增强,记忆丢失,”利根川进说。


但令人惊讶地是,当研究人员随后采用光遗传学工具重新激活阻断蛋白质合成的记忆痕迹细胞时,他们发现小鼠显示出回想起全部记忆的迹象。


利根川进说:“如果你在用茴香毒素处理的动物中采用一些自然唤回记忆的触发因素来测试记忆恢复,动物将失忆,你无法诱导出记忆恢复。但如果你直接转向推测的记忆痕迹承载细胞,采用光线来激活它们,你可以让记忆恢复,尽管一直都没有LTP。”


“开创性研究”


利根川进研究小组开展了进一步的研究证实,记忆并不是存储在个别记忆痕迹细胞中由蛋白质合成增强的突触里,而是在多组记忆痕迹细胞的回路及它们之间的连接中。


“我们提出了一个新概念:即每个记忆都有一条记忆痕迹细胞集合体回路。这一回路包括了多个大脑区域和这些区域中为了某一特定记忆专门连接在一起的记忆痕迹细胞集合体,”利根川进说。


主要作者Tomas Ryan说,这项研究将记忆存储利用的一些机制与记忆提取的分离开来。“记忆痕迹突触强化对于大脑能够访问或提取这些特定记忆至关重要,记忆痕迹细胞之间的这些连接信号通路实现了记忆信息的编码和存储。”


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