科学家发现大脑神经细胞记忆结构变化

　　

    加州大学圣地亚哥分校（UCSD）网站的科技新闻频道最近发布了该校科学家获取了脑细胞的生动图像，表明对于各种外界刺激形成临时性记忆和永久性记忆确实在大脑神经元产生不同的结构变化。这一研究成果证实了科学家长期以来有关长期和短期记忆具有不同神经元结构的推测。

    这项研究是由UCSD的生物学和物理学部的研究人员完成的。2001年11月30日出版的细胞（Cell）杂志（双周刊）发表了这一研究成果的论文。论文的第一作者为UCSD的一位博士后考利考斯。他说：“虽然一直有一些提示性证据表明不同的记忆方式具有不同的神经元结构，但是从未直接观察到。”这个研究小组的负责人是UCSD的生物学教授戈达，成员包括UCSD的化学和生物化学教授赛勒以及博士后科林斯。戈达教授认为：“尽管许多人认为在脑中会发生神经细胞连接的某种重组，但是要通过实验证明它是极其困难的。”“有些研究人员观察到外界刺激时大脑中突触数量的增加，而另外一些人又看不到有任何改变。在一立方厘米脑组织中有10亿个突触，所以没有人能够有把握地说在一个样本和另一个样本之间的突触密度从统计比较的角度是否存在实际的增加。”

    为了解决这个问题，UCSD研究人员将注意力集中于个别神经细胞，特别是来自海马的神经元，人脑的这一部分对形成特殊种类的记忆力十分关键，当它们的突触响应电刺激和其他神经细胞发生新的连接时会将这一过程拍摄下来。

    图1展示的神经元图像表明在外界的刺激下形成动作。图2是在显微镜下以每100毫秒的速度拍摄的硅芯片上神经元的照片传导刺激后的视频中的三幅。

    科学家能够在不损害细胞的正常生理机能的情况下进行实验要归功于戈达教授研究突触连接的实验室中拥有的两项新技术。一项是拥有使肌动蛋白的杆状和丝状结构（它们构成组织骨架——细胞的内部框架）可视化方法。利用多种分子生物学技术，可以构造具有荧光的肌动蛋白并且神经元的发展以及为建立新的连接而改变的形状都是可视的。

    第二种技术是由戈达和赛勒教授的合作产生的，它能够用这样的方式刺激神经细胞，能够模拟它们在脑中的刺激。它需要以某种方式利用硅的“照片传导”属性，使得研究人员简单地用光照射硅芯片上的某个区域，就可以向硅芯片上特定区域的神经元提供短促的高频电刺激。对硅芯片上该区域的光激发创建一条狭窄的通路，考利考斯以及他的同事就是通过这条通路在芯片下面对准神经元施加一个小的电压。他说：“我们用一个短促的高频脉冲刺激这些细胞。这种刺激正是其他研究人员多年来所认为的形成神经元之间连接的刺激。”

    这种方法的主要优点是它并不破坏细胞。考利考斯认为以前人们不能展示这一点的原因在于那时尚未提供这种技术。刺激神经元的标准方法是采用电极。但是只要电极刺入细胞，细胞就开始死亡。这种新技术的优点在于能够使细胞保持正常生理状态。当我们用明亮的光刺激选择的细胞时，就可以诱发在脑中发生的实际结构改变——形成新的突触。

    在他们的实验中，UCSD的研究人员发现，当对某个细胞刺激一次时，细胞内的肌动蛋白就被激活并且暂时向它们连接的神经元移动。在第一个细胞内的刺激也会刺激邻近神经元肌动蛋白的移动，这些神经元离开激活的细胞。然而细胞内的这些变化是暂时的，持续3至5分钟并且在5至10分钟内消失。

    考利考斯说：“短期改变不过是神经细胞交流的正常方式的一部分。如果在一小时内神经元被刺激了四次，这时神经元就会发生长期性变化。实际上突触会裂开并且形成新的突触，这样产生的永久性变化很可能在你今后的一生中都不会消失。”“和人的记忆的类比是当你看到或听到了某件事情，就会在你脑海中停留几分钟。如果它不重要，它就会逐渐隐退，10分钟以后就会遗忘它。但是如果你再一次看到或听到它，同样的过程会在一小时内发生，你就会记住它更长时间。如果事情重复许多次，你就会记住它一辈子。”

    戈达说：“这种情况和上钢琴课很相似。如果不断演奏一段乐谱，它就会深深印在你的记忆中。”在他们得到国家科学基金（NSF）以及国立卫生研究院（NIH）资助所做的实验中，研究人员注意到这些新形成的神经连接关系一经确立就不会再改变，表明它们是永久性的。

    考利考斯称：“只要取出一个轴突并且形成两个新的连接，这些连接就非常稳定，没有理由认为它们会分开。正是这种变化，人的有些记忆才能持续一辈子。”