Cell报道清华大学最新研究

【字体: 时间:2010年02月01日 来源:生物通

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  来自清华大学医学院学习与记忆研究中心,麻省理工,多伦多大学等处的研究人员研制出一种有望预防和治疗脑衰老疾病的物质,这是首次揭示了镁离子作为一种细胞内含量最高的二价金属离子对维持大脑学习与记忆功能的重要调节作用,并提示补充镁离子可能成为预防和治疗脑衰老疾病的重要途径。这一研究成果公布在《Neuron》杂志上,Cell杂志28号向全球发布了这项成果。

  

生物通报道:来自清华大学医学院学习与记忆研究中心,麻省理工,多伦多大学等处的研究人员研制出一种有望预防和治疗脑衰老疾病的物质,这是首次揭示了镁离子作为一种细胞内含量最高的二价金属离子对维持大脑学习与记忆功能的重要调节作用,并提示补充镁离子可能成为预防和治疗脑衰老疾病的重要途径。这一研究成果公布在《Neuron》杂志上,Cell杂志28号向全球发布了这项成果。

领导这一研究的是清华大学医学院刘国松教授,其2005年回国,入选清华大学“****”、“****特聘教授”,受聘于清华大学医学院担任教授、博导。主要研究方向包括神经系统可塑性和神经系统网络形成及优化的研究,和学习与记忆的基本原理研究及增强记忆和抗脑衰老的新药开发。

正常情况下,人体内的镁离子可以通过食物摄取获得,许多天然食物,如南瓜子、海带、菠菜、坚果等都富含镁离子。然而,随着工业化的进程,食物的精细加工导致食物中的镁含量下降,以及饮食结构的变化导致老年人镁摄入不足。

在这篇文章中,研究人员发现了一种新型镁化合物。实验证实,口服这种物质,能显著增强年轻和老年大鼠的学习、记忆能力。这项研究首次发现镁离子对维持大脑正常功能具有重要作用,并提示补充镁离子可能成为预防和治疗脑衰老疾病的重要途径。

在全球人口老龄化的背景下,老年痴呆症等脑衰老疾病成为人类健康主要威胁。有分析认为,这项发现具有重要价值。这项研究自Cell刊发之后,引起国际神经科学界的关注。

这一研究小组之前还曾开创性的将计算机技术应用到神经网络特性的研究中,他们在一块印刷电路板上进行,利用光刻的方法划定培养基,再在这些培养基上培养神经元,这样,一块区域就成了一个小的神经网络。此方法第一次将计算机科学技术和神经科学结合在了一起,为今后的进一步研究提供了基础。

这项研究揭示了神经网络的自稳态调节,这是人脑的一个重要特性,也是人脑优于计算机的一个基础。简言之,在人脑这个神经网络中,随着原件数量的增多,系统的动态调节范围越大,可塑性越强,脑处理信号的能力越强。这一研究成果也具有重要的应用价值。大脑在衰老和病变(如阿尔茨海默氏症)时,一个重要的特征是神经突触(元件)数量减少。

研究结果揭示了潜在的逆转方法,如果可以通过药物增加神经元的突触数量,则可以提高系统的可塑性,从而达到治疗的目的。所以,在这些工作的基础上,刘国松教授实验室已经找到能增加突触数量的小分子,并发现这些分子具有增强动物学习与记忆能力的功能,在老年痴呆的模型动物上,也发现这些分子具有治疗作用。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Enhancement of Learning and Memory by Elevating Brain Magnesium

Learning and memory are fundamental brain functions affected by dietary and environmental factors. Here, we show that increasing brain magnesium using a newly developed magnesium compound (magnesium-L-threonate, MgT) leads to the enhancement of learning abilities, working memory, and short- and long-term memory in rats. The pattern completion ability was also improved in aged rats. MgT-treated rats had higher density of synaptophysin-/synaptobrevin-positive puncta in DG and CA1 subregions of hippocampus that were correlated with memory improvement. Functionally, magnesium increased the number of functional presynaptic release sites, while it reduced their release probability. The resultant synaptic reconfiguration enabled selective enhancement of synaptic transmission for burst inputs. Coupled with concurrent upregulation of NR2B-containing NMDA receptors and its downstream signaling, synaptic plasticity induced by correlated inputs was enhanced. Our findings suggest that an increase in brain magnesium enhances both short-term synaptic facilitation and long-term potentiation and improves learning and memory functions.

作者简介:

刘国松 教授,博士生导师

1985-1990就读于美国加州大学洛杉矶分校神经生理学专业并获博士学位,1990-1991在美国加州大学洛杉机分校生理科学系神经生理学专业从事博士后研究,1991-1993任研究助理教授,1993-1996在斯坦福大学分子生物和细胞生理系从事博士后研究,1996-2001受聘于麻省理工学院大脑和认知科学系、生物系任助理教授,2001-2005年7月任麻省理工学院大脑和认知科学系、生物系副教授,同期(1996-2005,7)任麻省理工学院Picower学习和记忆中心研究员,2005年至今受聘于德克萨斯大学奥斯汀分校学习与记忆研究中心担任兼职正教授。并于2005年7月入选清华大学“****”、“****特聘教授”,受聘于清华大学医学院担任教授、博导。2006年获国家自然科学基金委重大项目支持和国家973项目支持。

实验室的主要研究方向: 1.神经系统可塑性和神经系统网络形成及优化的研究 2.学习与记忆的基本原理研究及增强记忆和抗脑衰老的新药开发。

代表性论文

Wilson NR, Kang JS, Leung T, Varoqui H, Murnick JG, Erickson JD, Liu G: Presynaptic Control of Excitatory Transmission by Vesicular Transporter Expression. J Neurosci 26:6221-6234, 2005

Slutsky I, Sadeghpour S, Li B, Liu G: Enhancement of Synaptic Plasticity through Chronically Reduced Ca2+ Flux during Uncorrelated Activity. Neuron 44:835-849, 2004

Liu G: Local structural balance and functional interaction of excitatory and inhibitory synapses in hippocampal dendrites. Nature Neurosci 7:373-379, 2004

Renger JJ, Egles C, Liu G: A developmental switch in neurotransmitter flux enhances synaptic efficacy by affecting AMPA receptor activation. Neuron 29:469-484, 2001

Tang YP, Shimizu E, Dube GR, Rampon C, Kerchner GA, Zhuo M, Liu G, Tsien JZ: Genetic enhancement of learning and memory in mice. Nature 401:63-69, 1999

Liu G, Choi S, Tsien RW: Variability of neurotransmitter concentration and nonsaturation of postsynaptic AMPA receptors at synapses in hippocampal cultures and slices. Neuron 22:395-409, 1999

Liu G, Tsien RW: Properties of synaptic transmission at single hippocampal synaptic boutons. Nature 375:404-408, 1995

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