陈述性记忆 突触可塑性:陈述性记忆形成的细胞机制

我们说的记忆是对所获取信息编码、巩固和读取的神经过程,主要可以分为两种不同类型,分别在不同脑区形成:一类是陈述性记忆,主要是对事件、人物等有意识回忆,相对容易记住和忘记,主要产生于内侧颞叶和海马;另一类是非陈述性记忆,主要是对抽象、感知、动作和习惯等无意识操作,形成于新皮层、小脑和新纹状体等其他脑区。

之前,举例说的有意识的场景回忆,即属于陈述性记忆。那么,这些陈述性记忆的形成机制是怎么样的呢?目前科学界认为,它们主要产生于内侧颞叶和海马,其形成基础与突触传递效率的改变有关。为什么这么说呢?那么我们得从记忆产生前的信号传递过程说起。

神经组织中主要有2类细胞:神经元和胶质细胞。神经元是接受外界信号刺激和执行信号传递的主要功能单元;胶质细胞更多的起支持作用,类似“清道夫”和“医生”的角色。

我们的大脑无时无刻不在接受和处理外界的信息。这些信息在神经细胞间的突触部位,以电信号形式进行传递。神经系统中的信息传递就好似踢球,每个神经细胞都是一个运动员,足球(信号)在运动员(神经元)的脚(突触)间传递。而神经元的投射方向很多时候不是单一的,就像在球场上运动员脚下的球可能传给球员A,也可能传给球员B。

并且在中枢系统中,突触的传递效能不是不变的,会随着突触活动模式的改变而改变,称之为“突触可塑性”。“可塑”可以简单理解为可以变化,具有不确定性,就像是同一运动员在不同比赛强度或其他情况下可能发挥出来的能力也会存在差异一样,运动场上称之为“临场发挥”。

突触传递效能具有可塑性

1973年,Bliss在内嗅皮层至海马齿状回这一通路上给予高频电刺激,记录到局部场电位强度(fEPSP slope)增加,时间可维持数小时至数天不等,这种现象被称为长时程增强(LTP)(如图1)[1]。

图1.电生理记录LTD/LTP现象.(A)给予100Hz的高频刺激(HFS)能够诱发出LTP.(B)给予重复的低 频刺激(LFS)能够诱发出LTD.

所谓的长时程效应,即突触部分的重复活动引起突触效能数小时甚至数天的改变。按照突触传递效能变化的增强或减弱可以分为两类:(1)长时程增强(LTP):高频刺激通路引起兴奋性突触电位幅度增加,可以持续数小时甚至数天;(2)长时程抑制(LTD):低频刺激通路引起兴奋性突触电位幅度减弱。

这样看来,至少在人为干涉的情况下,神经元的突触传递效率是可以改变的。换言之,名叫“神经元”的这位球员的临场发挥能力还是有潜力可发掘的。

长时程效应与突触可塑性

在长时程增强(LTP)现象的背后存在着很多的分子与形态学变化,如AMPA受体磷酸化、谷氨酸释放增多和树突棘结构增加等。与LTP相反的是LTD,其表征为谷氨酸释放降低和树突棘结构减少(如图2)[2-3]。

图2. LTP/LTD诱使神经元树突棘数量变化.

同时,产生LTP和LTD的机制在不同脑区存在较大差异,但唯一不变的特征是LTD和LTP的产生一样都取决于突触后钙离子的积聚。当外界重复刺激引起神经元及突触部分结构性的变化,进而影响突触传递效率改变。这种认知活动发生时改变神经元或者突触功能或结构的修饰过程就叫做可塑性。

总之,可以理解为:人为诱导的长时程效应引起突触结构和功能上的修饰,即是突触可塑性。

之前谈到实验过程中的长时程效应多是人为诱导产生,那么为什么科学界会认为以LTP/LTD作为表征的突触可塑性与记忆的形成有关呢?

上世纪90年科学家,在CamKII和NMDAR 敲除的小鼠身上发现CA1区无法诱导产生LTP,而这类老鼠水迷宫行为学的观察发现其空间记忆能力下降:其表现就是相对于野生型实验组寻找隐藏平台的时间增加[4]。

图3.水迷宫实验装置

这个实验提示性的结论就是:海马区的长时程增强效应很可能和陈述性记忆相关。

记忆形成与消退,在细胞机制层面很可能与突触传递效率变化有关。人为诱发的长时程效应(长时程增强:LTP / 长时程抑制:LTD),形成的突触结构和功能修饰,可以引起突触传递效率的变化。

陈述性记忆主要发生海马和颞叶皮层,就单个神经元而言,变化部位主要在突触。LTP涉及受体入膜,数目增加及敏感性增加。LTD涉及受体数目及敏感性的降低。也许在原本等势的较量中,正是那些“打了鸡血“”的球员们(诱导产生LTP),在场上的临场发挥水平(可塑性)变化,能力超出预计,带领球队收获了比赛的胜利(形成记忆)。

[4]杨雄里.神经生物学——从神经元到脑(第五版).科学出版社. (2014)

文章最后要感谢 Landowph、具身思考、yue li、东华君等前辈、同伴们的指导和帮助