再来人留学，热爱分享留学知识 / 咨询微信是 Maisie0525 阅读原文 A. 低等动物拥有哪些令人叹为观止的记忆？ 海兔（Aplysia californica）是一种软体动物，属贝类。虽然看起来低级，海兔实际上为人类神经生物学尤其是学习记忆领域的发展做出了非常重大的贡献。 海兔的鳃和呼吸管撤回反射（gill and siphon withdrawal reflex）是人们研究的重点，当海兔的呼吸管收到触碰刺激时，会产生缩鳃反射。 然而，你是否想到，这可不是一个简单的事情，因为海兔是能「记住」它曾经受到的刺激的。 随着呼吸管受触碰刺激次数的增多，缩鳃反射的幅度逐渐减下，似乎习惯了这种刺激，称为习惯化（habituation）；而更为有趣的是，如果给它的尾巴一个电击，再来触碰它的呼吸管，会发现缩鳃反射变得非常强烈，就如同变得更敏感了一般，因此称为敏感化（sensitization）。 海兔缩鳃反射的习惯化和敏感化从某种程度上来说绝对称得上「记忆」，而且Eric Kandel等 20 世纪的科学家也正是从海兔这一有趣的现象开始，逐步揭示了五羟色胺（serotonin）和环磷酸腺苷（cAMP）介导的短期记忆形成机制和成年神经系统的可塑性。 而且这些揭示的机制不仅限于海兔这样的低等动物，对于哺乳动物等其他脊椎动物同样适用。 海兔及其鳃和呼吸管撤回反射 比海兔稍微高级一点的动物果蝇（fruit fly, Drosophila melanogaster）（鉴于有些人看到果蝇可能会产生不适的感觉，这里就不放图了）同样也能形成记忆，它们也会遗忘，正如我们一样。 而且，果蝇由于其个体小，饲养成本低、繁殖周期短等优势，是遗传学和学习记忆领域研究中非常重要的模式动物，这里我们可以举几个果蝇的学习记忆研究范式为例。 比如，你可以训练果蝇学会记住某种气味是好的或者不好的。 例如，训练时，让它们闻某种气味 A，同时给予食物奖赏，这样它们就会将气味 A 与食物相关联。作为对照，让它们也闻气味 B，只是这是不给予额外的刺激。 当你把果蝇放在一个两端具有 A、B 两种不同气味的 T 型管中，因为它们记住了 A 和食物相关联的，而 B 没有，你就可以看到大部分果蝇都会跑到 A 的那一边去。类似地，也可以训练它们逃避气味 A，只要在训练时将食物换成电击就可以了。 果蝇的厌恶嗅觉记忆范式 / 图源：Dana Shani Galili, Alja Lüdke, C. Giovanni Galizia, Paul Szyszka and Hiromu Tanimoto (2011). Olfactory Trace Conditioning in Drosophila. Journal of Neuroscience 31 (20): 7240-7248. 此外，果蝇还拥有空间定向记忆。在 Buridan 的范式（Buridan’s paradigm）中，一只果蝇在翅膀被剪掉后放入一个圆形的区域中，周围是没有任何特征的圆形墙。 在墙的对侧画两条竖线，果蝇会在两条线之间不断来回走。Strauss R 等人观察到，去掉竖线之后 2-8 秒，果蝇依然能够按照原来的路径行走。 更有意思的是，Neuser K 等人发现，如果去掉其中一条竖线，而在另一个地方出现一条，果蝇就会被干扰而认为新的竖线是它的目标。 然后，最妙的地方在于，如果你在成功干扰了果蝇之后，就去掉那条新的竖线，果蝇会选择原来的路径去到那个曾经的目的地。 这些实验都表明，果蝇可以记住它曾经的目的地。 果蝇的 Buridan 范式 / 图源：Jena L. Pitman, Shamik DasGupta, Michael J. Krashes, Benjamin Leung, Paola N. Perrat, and Scott Waddell (2009). There are many ways to train a fly. Fly (Austin) 3(1): 3. 训练果蝇还有很多有趣的范式，比如有一篇文章就做了不错的汇总，名字叫《你有很多方法训练一只果蝇》（There are many ways to train a fly）[6]，突然心疼果蝇快被大家玩坏了…… 再接下来，更为高级的模式动物当属小鼠（或者大鼠）了。小鼠可以说是现代神经生物学和学习记忆领域研究中大家关注最多的模式动物了，一则它体型小，繁殖相对较快（当然和果蝇没法比，但是和大多数哺乳动物相比都是占优势的），而且又属哺乳动物，和人类相对比较接近。 小鼠其实非常聪明，也有很多小鼠的学习记忆范式，很多是我们通常难以想象的。 比如，最经典的恐惧条件范式，当小鼠进入某个环境时给予电击（电击是较为常用的造成恐惧的方法），则可以造成小鼠将这一环境与恐惧偶联（contextual fear conditioning），并在再次进入这一环境时出现「冷冻」（freezing）的行为，即呆在原地不动，而通常没有受过恐惧偶联训练的小鼠是会自由地探索新鲜环境的。 因此，研究人员就可以用「冷冻」这一现象出现的时间长短来衡量小鼠对这一环境的恐惧水平，从而推测它的记忆水平。与之类似的，还可以训练小鼠将恐惧与某种声音偶联（cued fear conditioning）等等。 此外，小鼠还可以记住曾经见过的物体 （object recognition test）、曾经见过的伙伴 (social recognition test)等等等等。 小鼠的经典行为范式 / 图源：Peter Curzon, Nathan R. Rustay, and Kaitlin E. Browman (2009). Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. 2nd edition. Chapter 2: Cued and Contextual Fear Conditioning for Rodents. 比小鼠更为高级的动物，比如狗，具有很好的记忆也就不足为奇了。 「巴甫洛夫的狗」是非常经典的条件反射的例子，也是非常早期的记忆研究。 不过，现代神经生物学很少用狗作为研究对象，而在进化上更接近人类的猴子或者黑猩猩则被非常多地研究。 黑猩猩的记忆甚至可以超过人类。有一个令我印象深刻的实验是一只五岁大的黑猩猩被训练记住 1-9 数字之后，屏幕上会随机在不同的地方同时出现这 9 个数字，然后这 9 个数字非常迅速地被方块替代（就看不到这九个数字了），然后黑猩猩需要做的是按照刚才看到的 1-9 的顺序，依次点击这九个方块。 黑猩猩出色的图形记忆 / 图源：https://www.newscientist.com/article/dn12993-chimps-outperform-humans-at-memory-task/?ignored=irrelevant 视频中这只黑猩猩的表现着实惊艳到了我，我认为通常没有经过特殊训练的人类都不具有这样好的图形记忆能力。 感兴趣的可以去看一下这个视频： Chimps outperform humans at memory task B. 记忆移植能实现吗？ 移植记忆听起来像是科幻作品中的桥段，依稀还记得和好朋友去看黄渤主演的电影《记忆大师》带给我的震撼和恐惧感。然而，记忆真的能移植吗？ 到目前为止，人类的记忆移植尚且没有实现，但是一些动物中的记忆移植确实已经实现了。 最早的记忆移植实验是在上世纪 60 年代由 McConnell 完成的。他先让扁形虫（planaria）建立光刺激和电击的偶联，然后将这只变形虫切碎喂给同类，结果发现这些吃掉它的同类们也获得了这种光刺激和电击偶联的记忆，因为用光照射它们也可以看到收缩的现象。 扁形虫 / 图源：JV McConnell (1967). A manual of psychological experimentation on planarians. 还记得我们开篇说过的海兔吗？ 2018 年研究人员发现将训练过产生敏感化（sensitization）的海兔的 RNA 注入未经训练的海兔体内，可以造成接受者海兔也产生敏感化，也就是说，这种敏感化的记忆通过 RNA 实现了移植。 研究人员对此结果产生的解释是他们认为海兔的长期记忆是有表观遗传学修饰（epigenetic modifications）介导存储的，而 RNA 可以介导表观遗传学修饰。 因此，他们提出了海兔的表观遗传记忆存储模型。 海兔的记忆移植实验 / 图源：Alexis Bédécarrats, Shanping Chen, Kaycey Pearce, Diancai Cai, and David L. Glanzman (2018). RNA from Trained Aplysia Can Induce an Epigenetic Engram for Long-Term Sensitization in Untrained Aplysia eNeuro. 5(3): ENEURO.0038-18.2018. 然而，个人认为这类 RNA 介导的记忆移植在更高等的动物（比如哺乳动物）中大概率是行不通的。我最喜欢的一个记忆移植（创造虚假记忆）的实验是由 Susumu Tonegawa 实验室在小鼠中完成的。 Tonegawa 研究组长期对记忆的研究基于印记细胞（engram cell）理论，通俗来说，他们认为记忆存储与大脑中的「印记细胞」中，这些细胞在记忆形成时被激活，并在回忆（recall）这段记忆时重新被激活。 在这一实验中，他们首先利用光遗传和化学遗传的手段使得小鼠海马脑区（形成记忆的关键脑区）的细胞可以有选择性地被标记和激活。 起初，小鼠脑内的这套标记系统被 Dox 药物抑制，不发挥作用；然后将小鼠放入 A 环境中，并撤除 Dox 抑制，这时小鼠与 A 环境相关的细胞激活并被标记，同时，这些细胞会表达一个光遗传的关键蛋白 ChR2（ChR2 的表达使得这个细胞可以被蓝光激活）。 然后，恢复饲喂 Dox 关闭系统，然后将小鼠放入 B 环境中，这时给予小鼠电击，并同时给予蓝光照射以激活之前被标记的编码 A 环境的细胞。所以，小鼠在 B 环境中接受了电击，却在接受电击的同时激活了编码 A 环境的印记细胞。 结果如何？ 结果是，小鼠产生了对 A 环境的恐惧，即使它从未在 A 中接受过电击！因此，研究人员实现了通过光遗传的办法人为操纵印记细胞，从而造成了一段虚假的记忆。 文章中做了很多非常严密的对照试验来排除各种可能的因素影响，这里就不再赘述，感兴趣的读者可以去阅读一下。 值得说明的是，记忆的「印记细胞」理论虽然被目前国际上很多实验室接受并采用，但也存在不少争议，同样也有一些除此之外的记忆理论被很多实验室采用。 「记忆的本质是什么」这一问题是无数神经科学家穷尽一生的追寻，但是迄今为止，尚且没有定论，而且我们还有很远的路要走。 利用光遗传手段为小鼠创造虚假记忆。图源：Steve Ramirez, Xu Liu, Pei-Ann Lin, Junghyup Suh, Michele Pignatelli, Roger L. Redondo, Tomás J. Ryan, Susumu Tonegawa (2013). Creating a False Memory in the Hippocampus. Science 341 (6144): 387-391. C. 遗忘是被动的吗？ 艾宾浩斯遗忘曲线（Ebbinhaus forgetting curve）被大家所熟知，老师经常拿着它告诉我们复习的重要性。 但是遗忘究竟是什么，你真的清楚吗？ 虽然在心理学上遗忘备受关注，但在神经生物学领域，遗忘的研究却长期缺席。 传统观点认为，遗忘是一种大脑中已获取并储存的信息被动的随时间的「衰减」，就像书上的字、衣服上的颜色一样随着时间流逝而逐渐消失。 如果真是这样，那「遗忘」似乎也就是「记忆」的相反过程，果真没有太多的生物学研究价值了。 但是，事实果真如此吗？ 艾宾浩斯遗忘曲线 / 图源：Ronald L. Davis and Yi Zhong (2017). The Biology of Forgetting—A Perspective. Neuron 95: 490-503. 很多近二十年的研究表明，尽管有些遗忘确实是由被动的消减或者不能有效提取造成的，但大部分的遗忘其实是一种主动的过程。 这也不难理解，我们每天接触的信息量巨大，如果所有的都不加选择地一股脑儿地存在大脑中，那日久天长，过不了多久我们就将不能够继续存储新的记忆了。就像电脑的硬盘存储空间一样，大脑中记忆的存储空间也不可能是无限的。 因此，遗忘对于一个人脑这样极其高效的信息管理系统来说是不可或缺的。尽管「主动遗忘」的可能性很久之前已经被考虑过，但直到最近二十年科学家们才获得卓有成效的进展。 一种观点认为，遗忘是主动被内在或外在的干扰因素诱发的。这种基于干扰的遗忘（intereference-based forgetting）被广泛研究，研究人员提出：大脑在学习事件之前或之后的活动会干扰记忆的表现。 尽管这一想法指出遗忘可以主动发生，但是在这一机制中，遗忘需要一个诱因（trigger），它并没有认为大脑本就具有遗忘的功能。 被激励的遗忘（motivated forgetting）指的是可以被我们的认知控制的遗忘过程，它们通常受到某种情绪的激励，比如对于影响我们个人积极形象的记忆，导致我们悲伤愧疚等负面情绪的记忆，抑或与我们信仰或观念不符的记忆，常常容易被忘记。研究人员认为，这种遗忘与我们主动地干扰这类记忆的加固过程有关。 此外，还有回忆导致的遗忘（retrieval-induced forgetting）。人们发现练习回忆某些事物会导致对同类的、没有练习回忆的事物的遗忘，而对不同类的事物则影响相对较小。 举个例子，比如柠檬、柑橘都属于水果类，张三、李四都属于人名类，假设你经常练习回忆「柠檬」，那么你对「柑橘」的记忆就会变差，而对「张三」、「李四」的记忆可能也会下降，但是不如「柑橘」那么多。 上述讨论的几种遗忘类型，不论是被干扰诱发，还是受到情绪激励，抑或着由回忆导致的，尽管都是主动的过程，但它们并没有揭示遗忘的全貌。 事实上，遗忘是大脑一种与生俱来、内在的、主动完成的过程。近来，科学家以果蝇入手，揭示了主动遗忘的分子和细胞生物学机制。 清华大学的钟毅课题组在这一领域做出了杰出的工作，2010 年，他们首次发现了 Rac1 蛋白介导的短时记忆的主动遗忘机制。 他们发现，激活 Rac1 蛋白会加速果蝇的遗忘，而抑制这一蛋白则会阻止果蝇因干扰导致的遗忘。而且，有趣的是，Rac1 蛋白伴随学习事件本身上调，也就是说，大脑在学习的同时也会激活遗忘信号分子通路，就如同启动了一个遗忘程序，从而能够及时抹除不需要的记忆，保持大脑信息管理和储存的高效性。此后，他们证明这一机制在哺乳动物中也是保守的。 除此之外，他们还发现 Cdc42 介导的中长期记忆的主动遗忘机制，和独立于 Rac1 主动遗忘机制的其他遗忘机制受到 Raf/MAPK 介导的主动保护（active protection）机制。 遗忘在与很多神经疾病都密切相关，比如研究人员发现自闭症风险基因的突变会通过抑制 Rac1 介导的主动遗忘而导致记忆灵活性失调。 此外，阿尔茨海默症的记忆损伤和丢失或许也与主动遗忘功能的失调存在某些关联。总之，主动遗忘领域的前沿发现，刷新了我们对于学习记忆的理解。 而笔者认为，对于遗忘的研究，对于人类揭示记忆的本质，也具有重大的意义。 印记细胞和主动遗忘 / 图源：Ronald L. Davis and Yi Zhong (2017). The Biology of Forgetting—A Perspective. Neuron 95: 490-503. 参考文献： [1] PITTENGER, C. AND E. R. KANDEL (2003) In search of general mechanisms for long-lasting plasticity: Aplysia and the hippocampus. Phi- los. Trans. Roy. Soc. Lond. B 358: 757–763. [2] Michael Robertson, Garry Walter (2010) Eric Kandel and Aplysia californica: their role in the elucidation of mechanisms of memory and the study of psychotherapy. Acta Neuropsychiatrica 22 (4): 195 - 196. [3] Dana Shani Galili, Alja Lüdke, C. Giovanni Galizia, Paul Szyszka and Hiromu Tanimoto (2011). Olfactory Trace Conditioning in Drosophila. Journal of Neuroscience 31 (20): 7240-7248. [4] Strauss R, Pichler J.(1998) Persistence of orientation toward a temporarily invisible landmark in Drosophila melanogaster. J Comp Physiol 182: 411–423. [5] Neuser K, Triphan T, Mronz M, Poeck B, Strauss R (2008). Analysis of a spatial orientation memory in Drosophila. Nature 453:1244–1247. [6] Jena L. Pitman, Shamik DasGupta, Michael J. Krashes, Benjamin Leung, Paola N. Perrat, and Scott Waddell (2009). There are many ways to train a fly. Fly (Austin) 3(1): 3. [7] Peter Curzon, Nathan R. Rustay, and Kaitlin E. Browman (2009). Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. 2nd edition. Chapter 2: Cued and Contextual Fear Conditioning for Rodents. [8] Marianne Leger, Anne Quiedeville, Valentine Bouet, Benoît Haelewyn, Michel Boulouard, Pascale Schumann-Bard & Thomas Freret (2013). Object recognition test in mice. Nature Protocols volume 8: 2531–2537. [9] Sana Inoue, Tetsuro Matsuzaw (2007). Working memory of numerals in chimpanzees. Current Biology 17 (23): 1004-1005. [10] JV McConnell (1967). A manual of psychological experimentation on planarians. [11] Alexis Bédécarrats, Shanping Chen, Kaycey Pearce, Diancai Cai, and David L. Glanzman (2018). RNA from Trained Aplysia Can Induce an Epigenetic Engram for Long-Term Sensitization in Untrained Aplysia eNeuro. 5(3): ENEURO.0038-18.2018. [12] Steve Ramirez, Xu Liu, Pei-Ann Lin, Junghyup Suh, Michele Pignatelli, Roger L. Redondo, Tomás J. Ryan, Susumu Tonegawa (2013). Creating a False Memory in the Hippocampus. Science 341 (6144): 387-391. [13] Ronald L. Davis and Yi Zhong (2017). The Biology of Forgetting—A Perspective. Neuron 95: 490-503. [14] Wixted, J.T. (2004). The psychology and neuroscience of forgetting. Annu. Rev. Psychol. 55, 235–269. [15] Shuai, Y., Lu, B., Hu, Y., Wang, L., Sun, K., and Zhong, Y. (2010). Forgetting is regulated through Rac activity in Drosophila. Cell 140, 579–589. [16] Liu, Y., Du, S., Lv, L., Lei, B., Shi, W., Tang, Y., Wang, L., and Zhong, Y. (2016). Hippocampal activation of Rac1 regulates the forgetting of object-recognition memory. Curr. Biol. 26, 2351–2357. [17] Zhang, X., Li, Q., Wang, L., Liu, Z.J., and Zhong, Y. (2016). Cdc42-dependent forgetting regulates repetition effect in prolonging memory retention. Cell Rep. 16, 817–825. [18] Zhang, X., Li, Q., Wang, L., Liu, Z.J., and Zhong, Y. (2018) Active Protection: Learning-Activated Raf/MAPK Activity Protects Labile Memory from Rac1-Independent Forgetting. Neuron 98 (1): 142-155. [19] Dong, T., He, J., Wang, S., Wang, L., Cheng, Y., and Zhong, Y. (2016). Inability to activate Rac1-dependent forgetting contributes to behavioral inflexibility in mutants of multiple autism-risk genes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113, 7644–7649. 阅读原文
