什么是记忆印记?

1904年,德国科学家Richard Semon第一次提出了记忆印记的概念。

大脑的神经元工作原理(科学家如何标记大脑里的记忆印记神经元)(1)

他认为,一个经验,一段经历会激活一群神经元,使其发生持久性化学或物理的改变,继而形成记忆,这些物理或化学的改变被称为记忆印记。这群发生持久变化的神经元称为该记忆的印记神经元。当记忆中的线索出现时,这群神经元会被重新激活,记忆也就被提取出来。

大脑的神经元工作原理(科学家如何标记大脑里的记忆印记神经元)(2)

荧光标记的记忆印记神经元

在Richard Semon的有生之年,记忆印记理论并没有得到人们的重视。主要原因是当时的实验技术无法标记记忆印记,也就无法验证该理论是否正确。

随着基因技术的发展,如今,科学家利用细胞内一种特殊的基因——即刻早期基因(immediate early genes),成功地标记出了记忆印记神经元,显微镜下肉眼可见。

即刻早期基因

细胞受到刺激时,即刻早期基因会快速响应表达,但即刻早期基因像昙花一样,只在一段极短的时间内表达。即可早期基因是一个庞大的基因家族,目前,已有100多个基因被归为即刻早期基因。

在神经元内,科学家发现了一类受神经元放电调控的即刻早期基因,如c-fos、Arc、Zif268等。神经元兴奋时,这类基因瞬态表达,可以用来标记兴奋的神经元。

即刻早期基因的作用众说纷纭。有的假说认为,即刻早期基因可以帮助细胞在受到刺激后维持其内稳态。而有的假说则认为,即刻早期基因参与神经元兴奋依赖的可塑性以及信息整合。

尽管即刻早期基因的作用还模糊不清,但这并不妨碍科学家对即刻早期基因的利用。实际上,即刻早期基因早已被广泛地运用在神经科学研究中。记忆印记神经元的标记就是一个鲜明的例子。

利用即刻早期基因标记印记神经元

思路很简单,科学家只需在记忆形成时,利用即刻早期基因标记处于兴奋状态的神经元。

例如,在条件性恐惧学习中,小鼠在笼子里会遭受电击,形成恐惧记忆。之后立马处死小鼠,取出大脑,切片,然后将即刻早期基因表达的蛋白,如常用的c-fos,免疫荧光染色。

或者利用转基因技术,让小鼠神经元的基因里包含一段特殊的片段,这一片段的启动子为c-fos的启动子,随后紧接一段荧光蛋白基因。当神经元兴奋时,c-fos启动子会启动紧随其后的荧光蛋白基因的转录表达。

殊途同归,最终,兴奋起来的神经元会表达c-fos,进而荧光闪闪,这些神经元在小鼠被处死之前,即假想的记忆形成时刻,处于兴奋状态。恐惧记忆的印记神经元就包含其中。

但这些兴奋的神经元并不都是恐惧记忆相关的,即使在记忆关键脑区,也无法保证兴奋的神经元都跟目标记忆相关。这是因为动物的思想和行为是无法完全控制的,小鼠可能在做任务的时候还同时想着晚上吃什么。

所以,科学家要让小鼠好好活着,进行二次验证。

几天后,科学家将小鼠再次放入电笼,小鼠会回忆起之前的恐惧记忆。然后,科学家再利用即刻早期基因,让这次处于兴奋状态的神经元,表达另一种颜色的荧光蛋白。两次都表达荧光的神经元,即是记忆获取和回忆都处于兴奋状态的神经元,即很大概率就是该记忆的印记神经元。

这要在记忆获取和回忆这两个狭窄的时间段,用不同的荧光蛋白,标记处于兴奋状态的神经元。

因此,科学家需要一种技术,可以在特定时间段开启即刻早期基因的表达,而在其他时间关闭其表达。为实现这一时间开关作用,科学家引入了TetTag系统。以TetTag系统中的Tet-Off 系统为例,下篇文章我们来看一下其工作原理。

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