学习和记忆的神经生物学..

学习和记忆的神经生物学生理学系孙秀兰高兴亚前言一、基本概念学习记忆属于高级神经活动或higherfunctionofbrain，它是高等动物和人类最具特色的生理特征之一。学习记忆是动物改变自身行为或产生新行为以便适应生活环境的必要过程。在人类，则是认识和改造客观世界以及参加社会实践活动必不可少的生理条件，是人类思维活动的基本环节，是智力结构中诸多要素（观察力、注意力、记忆力、判断力、想象力等）的重要成分。上世纪80年代，NationalResearchCouncil----opportunitiesinbiology,明确提出“学习是行为适应的主要手段，是社会进步的主要力量”。80年代初，我国著名的科学家钱学森倡导并提出的思维科学体系，并构想了一幅思维科学框架结构图及其与多门学科的相互关系，提出“思维科学的别名就是认知科学”。思维科学的应用技术思维科学的技术科学思维科学的理论基础思维科学的基础科学思维的生理基础逻辑学哲学和哲学史认识论---电子计算机的电子和机械系统---人工智能机的电子和机械系统---系统论、信息论、控制论---数学、数理逻辑---语言学、符号学---普通心理学等---神经生理学、神经解剖学等---形式逻辑、辨证逻辑---科学方法论、认识论思维科学体系图（一）什么是学习和记忆？行为学:“学习是引起个体对特殊环境条件所产生的适应性行为的全部过程”、“学习是指经验引起的一种适应性行为变化，记忆是过去经验的储存和回忆”。心理学:“记忆是一种心理过程，由识记、保持、再认或回忆组成”。神经生理学:学习主要是指人或动物通过神经系统接受外界环境信息而影响自身行为的过程，记忆是指获得的经验或信息在脑内储存和提取再现的神经活动过程。现代社会:出现了一门新兴学科---记忆科学，包括生物记忆、材料记忆和机器记忆三个方面。（二）学习与记忆的基本过程Acquisition/registration---感知外界事物或接受外界信息的阶段，通过感觉系统向脑内输入信号，即学习阶段。获得采样Consolidation---获得的信息在脑内编码储存和保持的阶段。巩固储存Retrieval---将储存于脑内的信息提取出来使之再现于意识中的过程，即回忆过程。再现重放（三）记忆的基本类型外界信息输入→瞬时记忆短时记忆长时记忆永久记忆注意重复遗忘遗忘信息丢失可能遗忘终生不忘再现不重复记忆的分级模式记忆时程及特点的比较记忆类别信息储存时间脑内可能有的神经机制举例瞬时记忆0.25~2秒感觉信息传入大脑，在皮层感觉区传递的时程在查找字典上某个词时，对其他词一闪而过短时记忆数分钟以内特定的神经信息在有关神经通路中往返传递一短时间，其化学机制可能是关键大分子的可逆性构象变化，如磷酸化与脱磷酸化查到一个新电话号码，拨完电话就忘了长时记忆数分钟至若干年蛋白质合成增加，突触功能增强及突触结构修饰等，神经信息影响mRNA或影响基因表达。经历中的重要事件永久记忆终生脑内新突触形成或突触结构不可逆的改变本人姓名、年龄、生日等学习与记忆的其它分类方法心理学：形象记忆、逻辑记忆、情感记忆、运动记忆神经生物学：简单学习:habituation,sensitization等联合学习:classicalconditionalresponse,one-triallearning等复合学习：latentlearning潜伏学习,vicariouslearning替代学习,insightlearning顿悟学习,imprintinglearning铭记学习等1995年5月，数百人在日本京都国际会议中心召开的国际性生命科学专题研讨会---学习与记忆专题，Gasic对此会议进行了综合报道，并对不同记忆类型的脑内解剖结构定位进行了总结：记忆陈述性记忆：事实、活动事件等——内侧颞叶medialtemporallobe，间脑diencephalon非陈述性记忆：技巧，习惯——纹状体striatum简单的经典条件反射——杏仁核amygdala，小脑cerebellum非联合型学习——反射通路reflexpathway一些相关概念：学习无能learningdisabilities,LD遗忘amnesia顺行性遗忘，逆行性遗忘，进行性遗忘，系统成分性遗忘，选择性遗忘，暂时性遗忘包括记忆功能的变化：亢进、减退、空白、遗忘记忆性质特征紊乱：错构症、虚构症、歪曲性记忆等另外，几个概念完全不同的单词：amnesiaamentiadementia二、学习与记忆研究的发展沿革(一)、关于脑功能与学习记忆的早期研究(二)、巴甫洛夫条件反射理论和实验动物模型(三)、Hebb的突触修饰理论是推动学习记忆研究的强大动力(四)、学习与记忆的电生理指标---LTP,LTD(五)、海兔等低等动物模型在学习记忆研究中的贡献(六)、学习与记忆的神经化学研究(七)、分子生物学等新兴学科的参与三、学习记忆研究中的主要实验动物模型目前实验室用以研究学习记忆的主要行为模式有三类：•habituation/orientingreflex---一个特定刺激单纯地反复出现时，机体对这个刺激的反应逐渐减弱的现象。•classicalconditioning---一个中性刺激与非条件刺激在时间上接近，反复结合，使有机体对中性刺激逐渐产生与非条件刺激所引起的相似的应答反应。“巴甫洛夫”•operantconditioning---通过有机体自身的某个特定操作动作而获得食物或回避有害刺激的反应活动。“斯金纳箱”（1）学习材料之间必须有时间上和空间上的接近性（两个刺激或刺激与反应之间）；（2）在一般情况下，学习材料之间的联系必须有重复性；（3）必须有强化作用(奖励或惩罚）；（4）必须可因干扰作用而产生遗忘。三类学习难宜程度上不同，但遵循四项原则：衡量学习效应的尺度有：潜伏期、反应时、反应正确率，以及对消退的抗力等等。为了度量学习的效应，必须保持一些因素恒定不变，如刺激的恒定性、环境的稳定性、内驱力以及有机体状态等。若干实验动物模型1、海兔Aplysia的缩鳃反射---防御性反射，躲避危害机体的刺激物。用于研究习惯化和敏感化。刺激物“水流喷射或机械探针”作用于肛管，引起海兔鳃和肛管的收缩。习惯化---10times(30s)/d×4d,观察第2、3、4天肛管收缩持续时间减少的百分率（以第一天时间作为参照）。敏感化---训练+训练（施加电击）+检测，观察去习惯即敏感化持续时间。2、金鱼防御条件反射实验3、雏鸡一次性（味觉厌恶）回避反应实验one-trial-avoidancetask4、各类迷宫作业---T形、Y型、Morris水迷宫5、灵长类动物的记忆实验：延缓反应作业delayedresponsetask延缓交替作业delayedalternationtask金鱼防御条件反射实验灯亮后20，金鱼须穿梭到对侧，否则将遭到电击Y-迷宫实验示意图臂长25cm,宽10cm，箱底铺有铜棒，各臂顶端装有刺激信号灯。信号灯亮为安全区。小鼠置于任一臂中适应环境1min，启动另外两臂中任一臂的信号灯，延迟5s后，灯不亮的两臂则通电电击小鼠，直至逃避到安全区为止。灯亮持续5s后熄灭，完成一次测试。以小鼠到达安全区为下一次的起始位置，间隔5s后进行再一次测试。实验在半隔音的暗室中进行，第一天将小鼠尾对门洞放在踏板上，让其自由进入箱内，并停留60s，第二天再同样进行两次，间隔时间为15-20min。半小时后，将小鼠放上踏板，待其进入箱内后立即给予电击，5min后将小鼠取出。第三天（24h）再将小鼠放在踏板上，检测小鼠进入箱内前在踏板上停留的时间，即潜伏期。小鼠一次性被动回避反应实验踏板离地面1米，正上方20cm外有一盏40W白炽灯被动回避反应箱：长×宽×高=15×15×25cm踏板长×宽＝2.8×10cm，跳台与穿梭四、中枢神经突触可塑性的生理生化机制1、概述所谓突触可塑性就是突触在一定条件下调整功能、改变形态以及增减数目的能力，既包括传递效能的变化，又包括形态结构的变化，二者的物质基础都涉及神经元和突触部位的某些蛋白质、受体、神经递质、离子及信使分子的物理化学变化。虽然突触可塑性的生理生化机制一直是神经科学家揭示学习记忆奥秘的突破口，近年也取得了一些进展，但现有资料仍不足以阐明突触可塑性的详细机制，故只能作一简单介绍。2、研究突触可塑性的主要方法一是用代谢阻断剂、酶抑制剂、抗体等药物或基因剔除的方法，观察某些物质或生化过程对突触传递效能及结构参数的影响。二是在学习记忆前后，即突触可塑性变化的前后，检测某些蛋白的表达及酶的活力，观察神经递质、受体及信使物质的变化，以确定它们在突触可塑性变化中的作用，探讨其参与调节突触可塑性的机制。3、突触可塑性的生理生化机制脑内突触可塑性是近二十年来神经科学研究的热点。已观察到的可塑性变化主要有：（1）突触前修饰作用，包括神经递质的合成、贮存、释放及自身受体功能的改变；（2）突触后修饰，包括神经递质受体的特性，受体激活后第二信使、G蛋白、膜离子流、调控蛋白及产生磷酸化和脱磷酸化等各种反应的酶的变化；（3）突触前或突触后结构的可塑性，包括突触前末梢大小或形态的变化，树突棘、突触界面曲率及突触后致密物等的变化；（4）非神经元修饰，如胶质细胞及胶质神经元相互作用的变化；（5）上述某些或所有变化的综合表现。因此，可塑性机制的中心应该是许多关键物质的相互作用。（A）、受体在突触可塑性中的重要作用受体分为两大类：配体门控离子通道受体ligand-gated-ionchannels如nAchR,γ-GABA,Gly,NMDA,AMPA,KAG-蛋白耦联受体---如肾上腺素能儿茶酚胺受体；mAch；K物质和血管紧张素受体；DA和5-HT受体；mGluR等。脑内参与学习记忆的受体很多，包括经典的Ach受体、兴奋性氨基酸受体及抑制性递质受体GABA受体，Gly受体等，其中NMDA受体被看作学习记忆的关键物质，启动和维持LTP都与NMDA受体的激活有关。另一种mGluR也参与LTP产生与维持及神经元损伤机制，但它的作用得通过与它耦联的NMDA受体才能实现。•突触传递效能可塑性的机制（B）、影响突触前功能的可能机制突触前某些蛋白质、受体功能的变化对神经递质的合成、释放有决定作用，即直接参与了神经元信息的传递，对突触效能的变化有明显影响。（1）突触前蛋白的作用如突触素synapsinI、突触小蛋白synaptobrevin、突触泡融蛋白synaptotagmin及突触连接蛋白snaptophysin等。这些蛋白可能与突触囊泡的激活、锚靠、排放或胞吐过程中的融合孔组成有关，即参与了突触传递效能的调控。（2）突触前受体的作用：参与神经递质释放的负反馈调节（3）另外，神经递质转运体表达及功能变化也可能在突触传递效能的可塑性变化中起重要作用•突触形态结构可塑性的生理生化机制1、伏衬蛋白又称钙调素结合蛋白、钙调血影蛋白及突触后密集二聚体。该蛋白浓集于神经元及突触后膜特化部位，与细胞骨架蛋白及收缩蛋白相连而形成一个可流动的质膜衬里层。其参与结构可塑性的机制：参与LTP---伏衬蛋白参与了谷氨酸受体构型的调控，在LTP中，随着被蛋白酶的水解，使受体活性发生相应变化。参与调控突触亚微结构的变化---作为突触后致密物的一种重要蛋白质，其构型随着磷酸化和脱磷酸化而发生变化，引起突触后致密物大小、厚度等的变化，而这些正是突触结构参数中最敏感的参数之一。与肌动蛋白共同构成亚微结构变化的动力机制，维持细胞和突触的形态并对轴浆流动及细胞收缩运动起调控作用。2、脑内胞外蛋白质的重要作用脑细胞的微环境对实现脑的功能起重要作用，细胞外间隙相当于各种细胞的公共场所，是物质交换的公共通道。携带神经信息的化学信号不仅影响神经元，同时也会大大改变细胞外的空间。近年来研究表明，脑内细胞外蛋白质在学习记忆过程中起重要作用。如室管膜素：高度可溶状态→自身聚集成不溶性的纤维状基质，是不稳定的突触连接随频繁的信息传递活动而转变为稳定突触的前提条件。可能起连接作用使突触连接面积稳定和扩大。由Ca2+耗竭触发五