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记忆再造

2010-12-19
神经元,记忆,记忆再造
记忆再造

选自:《新发现》 2010年12月号   发布时间:2010-11-22

自19世纪末俄罗斯生理学家伊万·巴甫洛夫(Ivan Pavlov)发现条件反射以来,改造动物本能行为的唯一办法便是对其进行外部刺激(视觉、听觉……)。至于大脑如何记忆这一切,人们当时并不关注。而今天,科学家成功地对负责记忆编码的神经元进行了直接修改,为研究翻开了新的一页。

编译:王佳

  离实验室几步之遥,就是“哈利·波特”系列电影中某些场景的拍摄地点。或许是因为这个缘故,牛津大学吉罗·梅森伯克及其同事们的实验也充满了巫术般的奇幻色彩。通常,面对两种差异很大的气味,果蝇会“选择”其中的一种。而通过对果蝇的神经元进行操作,研究人员成功地改变了它们的行为方式:经过改造的大脑把它们导向了另外一种气味。这一成就堪称革命。因为迄今,改变动物行为的唯一方法不外乎在事件与特定的声音信号或电击间建立联系。这种一个多世纪以前,由伊万·巴甫洛夫在对狗进行的实验中首创的强化手段,已在动物学习能力及记忆力的研究方面证明了其效率。不过其科学价值十分有限,因为它不能向我们反映动物的大脑中发生了什么,而行为方式正是在那里被记忆的。

对神经元采取行动

  吉罗·梅森伯克在10多年前尝试采取一种新方法,他不再用物理强化的方式去改变果蝇的行为,而试图直接改变多巴胺能神经元这一记忆存储活动总指挥的活动。这位奥地利科学家在美国与同行共同研发出一种名为“光基因”的技术。“‘光基因’是将基因技术与光学技术结合的产物,即通过光照使某些基因被修改过的细胞产生电活动。”他解释道。这一手法的精确度高得惊人。“现有手段与其相比,那就像是菜刀遇上了手术刀。”劳伦·格罗克(Laurent Groc)指出,他是波尔多大学神经突触细胞生理实验室的研究员。

  在吉罗·梅森伯克两年来主持研究工作的牛津大学实验室里,一些几乎看不到的小东西在各个角落窸窣作响:实验台上,显微镜下,实验间内……身长仅2毫米的果蝇是这里的真正明星。“它们不占体积,食量也不大,而且要多少就能有多少,我们可是需要几万只呢!”研究组成员亚当·克拉里奇-常(Adam Claridge-Chang)满意地评价道。

  为了进行这项实验,研究人员对果蝇的大脑进行了匪夷所思的显微手术。首先,为其200个多巴胺能神经元中的每一个都添加了一种光敏分子的受体。然后,通过微型导管,将这种光敏分子导入果蝇大脑,使它们在神经元上固定下来。整个操作的精细程度可想而知。

  经过大脑改造的果蝇被单独放置在透明箱体内,它们可以选择去箱子的一端或另一端,每一端都有一种不同的气味。“对人类而言,这两种气味就相当于三伏天穿过的网球鞋以及发霉的气味。”亚当·克拉里奇-常解释道。在探清两边的不同气味后,每个果蝇都会朝着相对“好闻”的那个方向飞去——它们的选择几乎一致。只是当果蝇飞向这一端时,研究人员便将激光照向它们,安置在它们大脑中的光敏分子立刻被激活,导致所在的多巴胺能神经元发出警报,要求负责记忆编码的神经元将这种气味标记为“更恶心”。相反,当果蝇飞向另一端时,研究人员则听其自便。对大量果蝇进行的实验,获得了近乎百分之百一致的结果:仅仅“调教”了20分钟,果蝇便开始朝着原本更讨厌的气味飞去,而对之前希望靠近的一边唯恐避之不及。结论:神经元改造扭转了果蝇的行为方式!

相似的机制

  光基因技术对于揭秘人类记忆的运转方式颇具价值,因为无论是人脑还是果蝇大脑,它们都有着某些相似的运作机制。巴黎市立工业物理化学高等学校(ESPCI)“记忆系统基因及活性”实验室负责人托马·普雷阿(Thomas Preat)指出:“人类和果蝇有着同样的分子基础以及神经运作基础,我们还采用同样的联想学习模式。”实验的结果其实也证明了这一相似性。正常情况下,有关讨厌气味的记忆只能在果蝇大脑中维持数小时。但如果反复接触气味多次,每次接触后再间以休息,那么该记忆就能被保留较长的时间。而人类记忆在这一点上也是一样。“学生在考试前夜通宵复习或许可以通过考试。不过如能在考前的一周内每天都复习一次,那么他对功课的记忆就能保持更久。”吉罗·梅森伯克指出。

  离开吉罗·梅森伯克的实验室,一丝忧虑划过心头:会不会有一天,人类的记忆也被操控?但又怎能不为研究人员的成就而发出由衷赞叹呢:只要对果蝇的大脑照上一照,就能改变它们的记忆,这等魔法恐怕连哈利·波特都会被镇住吧。

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