從突觸到開關：記憶之謎之旅

記憶如何儲存在人腦中的問題是一個古老的難題。 多年來，已經出現了一些看似合理的理論，但支持這些理論的實驗證據並不總是緊隨其後。 和疾病影響記憶，對公共衛生構成巨大威脅，可以說比以往任何時候都更需要解開我們的大腦如何保存資訊的秘密。

記憶研究的開端

聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾 (Santiago Ramón y Cajal) 第一個提出這一點突觸追溯到 1890 年代，這可能是記憶形成的關鍵。 拉蒙·卡哈爾使用了一種技術由義大利科學家卡米洛·高爾基 (Camillo Golgi) 開發，可以產生像這樣的腦組織的令人難以置信的詳細圖像。

兩人繼續分享諾貝爾獎感謝他們的努力，拉蒙·伊·卡哈爾 (Ramón y Cajal) 的畫作至今仍是神經科學講座中常見的景象。

突觸是神經元之間的連結。 加拿大人唐納德·赫布 (Donald Hebb) 在 1949 年晚些時候首次提出了一種理論，認為隨著時間的推移，這些連接強度的持續變化可以讓大腦儲存資訊。 這個想法被稱為突觸可塑性– 我們稍後會再回到這個主題。

其他實驗，包括加拿大裔美國神經外科醫生的實驗懷爾德·彭菲爾德，幫助下一代科學家找出在大腦中尋找記憶儲存的位置。 彭菲爾德開創了一種治療癲癇的新方法。 這聽起來可能有點極端，但他會打開病人的頭骨，暴露他們的大腦，並在他們清醒的時候用小電極探測大腦，試圖找出導致癲癇發作的特定組織部分。 彭菲爾德指出，刺激大腦的某些部分會激發患者的記憶。

當我們談論記憶時，有一個大腦區域被認為是最重要的——要理解這一點，你必須了解患者 HM 的故事

患者 HM 和海馬體

這位後來被稱為 HM 的人小時候捲入了一場事故，導致他癲癇發作。 當他二十多歲的時候，癲癇發作已經變得非常虛弱，儘管服用藥物，他還是不得不放棄工作。

作為最後的手段，HM 接受了劇烈的手術，切除了部分大腦。 它在控制癲癇發作方面起到了作用，但有一個非常顯著的副作用——HM 已經發展健忘症。 令人回味的是，他描述他的狀況是“就像從夢中醒來一樣……每一天都是孤獨的……”

事實證明，HM 大腦中被切除的部分包括一個關鍵區域——海馬體。 海馬形狀的結構深埋在大腦內部，自此被認為是基石學習和記憶的過程，而這項發現全歸功於像 HM 這樣的患者的遺產

我們現在知道情況要複雜一些，大腦的任何一個部分都不負責與記憶有關的所有事情——例如，最近的一項研究表明，小腦幫助我們儲存與強烈情緒相關的記憶。 然而，這一切仍然沒有解決的是如何記憶是首先形成的。

突觸可塑性和長​​時程增強

我們答應過我們會回到這個主題的，不是嗎？

幾十年來，研究記憶儲存的神經科學家最喜歡的理論依賴於這樣的想法：反覆激活時突觸連接可以變得更強。 當這種效應長期持續發生時，稱為長時程增強（LTP）。

為了將電訊號從一個神經細胞傳遞到另一個神經細胞，它必須以某種方式穿過突觸。 這透過一系列三個主要步驟發生。 首先，化學神經傳導物質被釋放到突觸間隙或間隙。 它們與裂口另一側神經元上的受體結合。 這種結合會觸發離子通道的打開，從而允許電流流動。

當有更多的神經傳導物質分子被釋放，或有更多的受體可供它們結合時，LTP 就可以實現。 無論哪種方式，更多的電流將通過離子通道，使突觸連接更強。

這個想法是，在創建新記憶時會形成強大的突觸，而這種增強模式足以編碼和儲存記憶。

很難透過實驗證明 LTP 是解開大腦記憶儲存秘密的萬能鑰匙，儘管證據這顯示建設非常重要。 然而，多年來，許多科學家認為這並不是故事的全部。

記憶印記

「印跡」一詞不僅出現在科幻小說中，它的歷史可以追溯到記憶理論的早期。 1904 年，理查德·西蒙 (Richard Semon) 提出印跡被認為是經歷了持久化學或物理變化的細胞的集合，當這些細胞被重新激活時，可以回憶起特定的記憶。 正如胺基酸是構成蛋白質的單一單位一樣，印跡也可以被認為是記憶的基本單位。

在塞蒙的一生中，他的理論並沒有得到太多關注。 不過，最近技術的進步可能正在為一項被塞蒙本人描述為「無望的事業」的發現——印蹟的生物學基礎——鋪平道路。

麻省理工學院的一個小組進行的一系列研究為所謂的“沉默的印跡」。研究人員能夠人工檢索儲存在逆行性遺忘症小鼠大腦中的事件記憶。

該團隊隨後發布了後續論文進一步證明了他們的理論，即雖然突觸可塑性參與記憶形成，但對於長期記憶儲存來說並不是必需的。

「我們在這項研究中的一個主要結論是，特定的記憶儲存在沿著解剖學途徑的印跡細胞群之間的特定連接模式中，」資深作者 Susumu Tonekawa 在 2017 年的一篇文章中說道。陳述。 “這個結論是具有挑釁性的，因為人們一直認為記憶是通過突觸強度來存儲的。”

作為一個2020年回顧該主題指出，“仍然存在許多問題。” 然而，令人興奮的是，上世紀之交萌芽的想法現在可能越來越接近公認的科學共識。

機械記憶

2021年，英國科學家本‧古爾特接受 IFLScience 採訪關於一個全新的理論，其中人腦被比喻為一台計算機。

這種類似於電腦的機器被稱為 MeshCODE，其工作原理類似於二進位代碼 - 在這種情況下，1 和 0 是一種稱為 talin 的蛋白質的不同結構狀態。

自從最初的假設發表以來，古爾特進一步擴大關於talin以及在每個突觸處形成同名蛋白質「網絡」的其他蛋白質的潛在作用。 取上面的突觸傳遞圖； 這個網絡是一個縱橫交錯的蛋白質骨架，位於突觸每個邊緣的神經元內部。

最近，該團隊建立了MeshCODE 複合體的比例模型在發現我們目前的所有模型在規模上都嚴重錯誤之後，可視化這些分子在現實生活中如何相互作用。 對新模型的分析導致了理論的一些令人興奮的更新。

「透過我們的新分析，我們突然意識到一個新發現，即這些開關使這些分子的長度大幅增加（『1』態大約比『0』態長 10 倍），」古爾特告訴 IFLScience。 由於一個talin分子沿其長度有13個開關，這意味著該蛋白質理論上可以拉伸至近1微米。

“我們意識到 隨著開關模式的變化，它們將移動與 MeshCODE 結合的酶，然後開關遠離突觸的活動區域......的量化距離，」古爾特繼續說道。

我們又回到了突觸。 這些新模型幫助古爾特和他的團隊發現了 MeshCODE 的工作原理如何對突觸活動產生連鎖反應，我們知道突觸活動在記憶中發揮著重要作用。

「在這裡，我們發現二進位代碼將重組突觸內的酶……這引發了二進位代碼如何協調突觸活動的想法。當開關在空間上組織相對於彼此及其目標的酶時，有些代碼會將它們完美地排列起來以實現非常快速的活動，而有些程式碼會將這些分子保持很遠的距離以防止活動！ ”

下一步將是實際觀察神經元內 talin 分子形狀的變化，團隊希望這個目標不要遙遠。 他們也正在研究一些神經系統疾病，以及一些癌症，他們認為這些疾病可能受到talin訊號改變的影響。

Goult 寄予厚望，希望 MeshCODE 理論能夠成為我們所經歷的記憶的所有方面迄今為止所缺乏的統一力量。

「這是這個理論的重要思想，我們所有的記憶都被物理地寫入大腦中這些分子的形狀。我發現想像一下我們回憶起的每條記憶都有一個被寫入大腦的物理位置是非常令人興奮的最終…我提出的是印蹟的位置，即記憶的物理物質，它們以二進制格式寫入突觸支架中的 MeshCODE 記憶分子的形狀，並通過改變傳輸來讀取它們。的每個突觸」。

未來該何去何從？

這是記憶研究領域的一個令人興奮的時刻。 現代技術的進步意味著自神經科學最早以來就提出的理論和想法現在可以以前所未有的方式進行實驗測試。 正如古爾特所指出的，一些最大的突破來自於來自不同背景的科學家共同努力：「我認為許多令人興奮的發現是在學科之間的交叉點上取得的，例如機械生物學是在工程學和生物學的交叉點上。

人類大腦的大部分功能仍然難以捉摸。 然而，只要有新的理論被提出——並且舊的理論被記住！ – 我們將繼續加深對我們的思想和我們自己的理解。