发现记忆的归属——支架蛋白

　　

生物通报道：犹他州大学的最新一项研究发现大脑能够存储记忆是因为一些蛋白发挥锚的功能，固定其它蛋白，稳固神经细胞之间的神经突触（synapses）。

犹他州大学脑研究所数学教授Paul Bressloff 说：“突触所在位置，神经递质不断流动，怎么可能是维持一生的记忆所能相托的呢？部分答案在于突触中存在稳定蛋白的锚，这些蛋白决定突触的强度，突触形成、维持记忆。”这项研究不仅与学习记忆机制有关，而且与阿尔茨海莫氏症有关，据认为阿尔茨海莫氏症部分原因是突触中蛋白的正常运动遭到破坏。研究结果刊登于11月22日《Journal of Neuroscience》。参与研究的还有数学博士研究生Berton Earnshaw，研究受到美国国家科学基金会（ National Science Foundation）资助。

关于意识（consciousness）长期争论的一个话题是：“能用脑中一束神经冲动这样简单的术语解释吗？我不这么认为，” Bressloff 说，“记忆、行为、情感都由脑中的神经冲动模式决定，如果改变了神经冲动的模式，记忆、行为、情感都会跟着改变……我们接受的外部世界的刺激的混合以及神经细胞之间连接的强度决定了神经冲动的模式。”记忆由脑部神经元之间的连接强度决定。

记忆和学习的解剖学

突触是神经细胞或者说是神经元之间连接的部位，包括三部分：上游神经细胞的末梢（轴突，axon），神经细胞之间的精微的间隙以及下游神经细胞蘑菇样的树突棘（dendritic spine）。一个神经细胞只有一个向外传递信号的轴突，有众多树突（dendrites）。树突的结构如同枝干茂密的树，在“树”的末梢是树突棘。一个神经细胞可以有1万个树突棘，每个树突棘都是突触的一部分，因此一个神经细胞能够接收1万个神经细胞传递的信息。

我们所学习和记忆的信息分布在许多突触中，一些记忆，比如面孔也许只由少数几个突触维持，其他一些记忆也许由许多突触维持。

神经细胞传递电冲动，当一个电神经信号从一个神经细胞传递到突触后，引发轴突释放神经递质，神经递质穿过突触间隙与下游神经元树突棘上的受体蛋白结合。

一种重要的神经递质叫做谷氨酸盐（glutamate），会与树突棘上的AMPA受体结合。AMPA受体位于“支架蛋白”(scaffold protein)形成的膜中。Bressloff说AMPA是两种学习记忆关键的神经信号受体。

早期研究发现学习记忆依赖神经细胞之间突触的强度。Bressloff说一个突触的强度不仅受到上游神经细胞释放的神经递质数量的影响，并且与AMPA等受体的数量有关。
研究：模拟神经细胞接收信号

Bressloff研究轴突强度与AMPA受体数量的相关性，AMPA对上游神经细胞传入的神经冲动激发的下游神经细胞中电流的强度有关键作用。

AMPA受体不停地在突触中循环工作，因此一个经久不变的突触怎能帮助维持学习和记忆？

Bressloff研制出一种数学模型：利用微积分方程（calculus equations）描述AMPA受体进出突触的运动。

支持数学模拟的基础概念是突触的下游部分——蘑菇状的树突棘有两个囊。第一个囊如同蘑菇帽，AMPA受体在第一个囊中被支架蛋白包围，接收上游神经细胞释放的谷氨酸盐信号。第二个囊如同蘑菇茎。AMPA受体在树突棘的“帽”和“茎”之间穿梭。

Bressloff利用不超过10个微分方程（differential equations）描述决定一个AMPA受体进出突触（在树突棘“帽”和“茎”部穿梭）速率的四个过程。

——在帽中，AMPA受体能够附着在支架蛋上，稳定不动，并通过神经递质接收神经信号。
——AMPA受体离开支架蛋白后，能够在帽和茎之间来回移动。换句话说，能够进出突触。
——AMPA受体可以完全离开树突棘，从“茎”到树突的其它位置（突触外部），也可以回到“茎”中。
——AMPA受体可以离开树突棘表面，向内部移动，也可以返回。

Bressloff用实验手段检测了他的数学模型，发现这种计算准确反应了突触怎样随着时间的流逝，随着越来越多的神经信号流过而增强，随着越来越少的信号而减弱。从这些，Bressloff进一步研究影响突触增强或者减弱的AMPA受体运动方式。

仿真学的答案是：突触的增强即维持学习记忆的能力，随着支架蛋白数量的变化而变化，特别是树突棘表面或“帽”中的支架蛋白。

换句话说，突触增强的最重要的因素是稳固AMPA受体的支架蛋白的数量。

神经细胞之间的突触增强，“只是向树突棘表面添加更多的AMPA受体是不够的，因为它们会再次离开，” Bressloff说，“你需要把它们固定在那里。”所以我们学习记忆的本质是锚定大脑中的神经细胞。

“我们的突触处于不断的信息流中，”Bressloff说，“它们不停地更换分子。我们能够维持记忆和所学到的知识，如果蛋白一直改变，又是什么为突触编码记忆呢？特定的蛋白发挥锚的功能，稳固其它蛋白。”（生物通记者 小粥）