猶他州大學(xué)的最新一項研究發(fā)現(xiàn)大腦能夠存儲記憶是因為一些蛋白發(fā)揮錨的功能,，固定其它蛋白,，穩(wěn)固神經(jīng)細(xì)胞之間的神經(jīng)突觸（synapses）,。
猶他州大學(xué)腦研究所數(shù)學(xué)教授Paul Bressloff說：“突觸所在位置,，神經(jīng)遞質(zhì)不斷流動,，怎么可能是維持一生的記憶所能相托的呢,？部分答案在于突觸中存在穩(wěn)定蛋白的錨,，這些蛋白決定突觸的強(qiáng)度，突觸形成,、維持記憶,。”這項研究不僅與學(xué)習(xí)記憶機(jī)制有關(guān)，而且與阿爾茨海莫氏癥有關(guān),，據(jù)認(rèn)為阿爾茨海莫氏癥部分原因是突觸中蛋白的正常運動遭到破壞,。研究結(jié)果刊登于11月22日《Journal of Neuroscience》。參與研究的還有數(shù)學(xué)博士研究生Berton Earnshaw,，研究受到美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）資助,。
關(guān)于意識（consciousness）長期爭論的一個話題是：“能用腦中一束神經(jīng)沖動這樣簡單的術(shù)語解釋嗎？我不這么認(rèn)為,，”Bressloff說,，“記憶,、行為、情感都由腦中的神經(jīng)沖動模式?jīng)Q定,，如果改變了神經(jīng)沖動的模式,，記憶、行為,、情感都會跟著改變……我們接受的外部世界的刺激的混合以及神經(jīng)細(xì)胞之間連接的強(qiáng)度決定了神經(jīng)沖動的模式,。”記憶由腦部神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度決定。
記憶和學(xué)習(xí)的解剖學(xué)
突觸是神經(jīng)細(xì)胞或者說是神經(jīng)元之間連接的部位,，包括三部分：上游神經(jīng)細(xì)胞的末梢（軸突,，axon），神經(jīng)細(xì)胞之間的精微的間隙以及下游神經(jīng)細(xì)胞蘑菇樣的樹突棘（dendritic spine）,。一個神經(jīng)細(xì)胞只有一個向外傳遞信號的軸突,，有眾多樹突（dendrites）。樹突的結(jié)構(gòu)如同枝干茂密的樹,，在“樹”的末梢是樹突棘,。一個神經(jīng)細(xì)胞可以有1萬個樹突棘，每個樹突棘都是突觸的一部分,，因此一個神經(jīng)細(xì)胞能夠接收1萬個神經(jīng)細(xì)胞傳遞的信息,。
我們所學(xué)習(xí)和記憶的信息分布在許多突觸中，一些記憶,，比如面孔也許只由少數(shù)幾個突觸維持,，其他一些記憶也許由許多突觸維持。
神經(jīng)細(xì)胞傳遞電沖動,，當(dāng)一個電神經(jīng)信號從一個神經(jīng)細(xì)胞傳遞到突觸后,，引發(fā)軸突釋放神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)穿過突觸間隙與下游神經(jīng)元樹突棘上的受體蛋白結(jié)合,。
一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)叫做谷氨酸鹽（glutamate）,，會與樹突棘上的AMPA受體結(jié)合。AMPA受體位于“支架蛋白”(scaffold protein)形成的膜中,。Bressloff說AMPA是兩種學(xué)習(xí)記憶關(guān)鍵的神經(jīng)信號受體,。
早期研究發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶依賴神經(jīng)細(xì)胞之間突觸的強(qiáng)度。Bressloff說一個突觸的強(qiáng)度不僅受到上游神經(jīng)細(xì)胞釋放的神經(jīng)遞質(zhì)數(shù)量的影響,，并且與AMPA等受體的數(shù)量有關(guān),。
研究：模擬神經(jīng)細(xì)胞接收信號
Bressloff研究軸突強(qiáng)度與AMPA受體數(shù)量的相關(guān)性，AMPA對上游神經(jīng)細(xì)胞傳入的神經(jīng)沖動激發(fā)的下游神經(jīng)細(xì)胞中電流的強(qiáng)度有關(guān)鍵作用,。
AMPA受體不停地在突觸中循環(huán)工作,，因此一個經(jīng)久不變的突觸怎能幫助維持學(xué)習(xí)和記憶？
Bressloff研制出一種數(shù)學(xué)模型：利用微積分方程（calculus equations）描述AMPA受體進(jìn)出突觸的運動,。
支持?jǐn)?shù)學(xué)模擬的基礎(chǔ)概念是突觸的下游部分——蘑菇狀的樹突棘有兩個囊,。第一個囊如同蘑菇帽,，AMPA受體在第一個囊中被支架蛋白包圍，接收上游神經(jīng)細(xì)胞釋放的谷氨酸鹽信號,。第二個囊如同蘑菇莖,。AMPA受體在樹突棘的“帽”和“莖”之間穿梭。
Bressloff利用不超過10個微分方程（differential equations）描述決定一個AMPA受體進(jìn)出突觸（在樹突棘“帽”和“莖”部穿梭）速率的四個過程,。
——在帽中，AMPA受體能夠附著在支架蛋上,，穩(wěn)定不動,，并通過神經(jīng)遞質(zhì)接收神經(jīng)信號。
——AMPA受體離開支架蛋白后,，能夠在帽和莖之間來回移動,。換句話說，能夠進(jìn)出突觸,。
——AMPA受體可以完全離開樹突棘,，從“莖”到樹突的其它位置（突觸外部），也可以回到“莖”中,。
——AMPA受體可以離開樹突棘表面,，向內(nèi)部移動，也可以返回,。
Bressloff用實驗手段檢測了他的數(shù)學(xué)模型,，發(fā)現(xiàn)這種計算準(zhǔn)確反應(yīng)了突觸怎樣隨著時間的流逝，隨著越來越多的神經(jīng)信號流過而增強(qiáng),，隨著越來越少的信號而減弱,。從這些，Bressloff進(jìn)一步研究影響突觸增強(qiáng)或者減弱的AMPA受體運動方式,。
仿真學(xué)的答案是：突觸的增強(qiáng)即維持學(xué)習(xí)記憶的能力,，隨著支架蛋白數(shù)量的變化而變化，特別是樹突棘表面或“帽”中的支架蛋白,。
換句話說,，突觸增強(qiáng)的最重要的因素是穩(wěn)固AMPA受體的支架蛋白的數(shù)量。
神經(jīng)細(xì)胞之間的突觸增強(qiáng),，“只是向樹突棘表面添加更多的AMPA受體是不夠的,，因為它們會再次離開，”Bressloff說,，“你需要把它們固定在那里,。”所以我們學(xué)習(xí)記憶的本質(zhì)是錨定大腦中的神經(jīng)細(xì)胞。
“我們的突觸處于不斷的信息流中,，”Bressloff說,，“它們不停地更換分子,。我們能夠維持記憶和所學(xué)到的知識，如果蛋白一直改變,，又是什么為突觸編碼記憶呢,？特定的蛋白發(fā)揮錨的功能，穩(wěn)固其它蛋白,。”
