視知覺學習訓練對海馬神經細胞可塑性的影響及學習記憶功能的調控*

王欣欣，馬珊珊，楊 波，關方霞1，#

1)鄭州大學第一附屬醫(yī)院干細胞研究室 鄭州450052 2)鄭州大學生命科學學院 鄭州 450001 3)鄭州大學第一附屬醫(yī)院神經外科 鄭州450052

視知覺學習訓練對海馬神經細胞可塑性的影響及學習記憶功能的調控*

王欣欣1)，馬珊珊2)，楊 波3)#，關方霞1，2)#

1)鄭州大學第一附屬醫(yī)院干細胞研究室 鄭州450052 2)鄭州大學生命科學學院 鄭州 450001 3)鄭州大學第一附屬醫(yī)院神經外科 鄭州450052

#通訊作者：楊波，男，1963年1月生，碩士，教授，研究方向：中樞神經功能損傷與重建，E-mail：yangbo96@126.com；關方霞，女，1969年2月生，博士，教授，研究方向：干細胞與再生醫(yī)學，E-mail：guanfangxia@126.com

視知覺學習；海馬可塑性；神經細胞再生；學習；記憶；腦源性神經營養(yǎng)因子

1 引言

感官刺激對個體生存和發(fā)展發(fā)揮著關鍵的作用。所有感官刺激中，視覺刺激是機體接受外界信息的主要來源，占所有感覺傳入信息的80%以上[1]。腦的發(fā)育受基因和后天環(huán)境因素的綜合作用。腦的高級智能活動學習記憶是在中樞神經系統控制下接受外界信息，在腦內貯存、提取并影響自身行為的極其復雜的神經過程[2-3]。研究發(fā)現，視知覺學習可以通過NO-cGMP 和cAMP等信號途徑促進長期記憶[3]，視知覺處理功能異常會導致學習障礙[4]，但是其具體機制尚不明確。海馬是學習記憶的中心，海馬的可塑性是腦認知科學的研究熱點。除了突觸的可塑性和突觸的長時程增強(long-term potentiation，LTP)機制外，海馬成體神經干細胞(neural stem cells，NSCs)再生也可促進海馬的可塑性，對學習記憶發(fā)揮著重要作用[5-6]。研究[7]表明，海馬依賴性學習(如圖形分辨)、環(huán)境強化(如視、聽、觸覺刺激)以及強迫性和自主性體能鍛煉能促進海馬神經細胞再生及腦源性神經營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的表達并激活其介導的多種信號轉導途徑，促進學習和記憶。然而，學習記憶的作用機制仍未完全闡明。該文介紹一種新的視覺刺激模式——觸屏式視覺識別學習系統，分析視覺刺激對海馬可塑性和學習記憶功能的影響，探討如何通過改善視覺刺激條件提高海馬學習記憶功能。

2 動物視覺學習記憶行為評價新模式——觸屏式視覺識別學習系統的建立

行為學分析是判斷學習記憶功能的重要手段。目前對動物學習記憶的行為學評價測試裝置大多是利用動物覓食、求生、逃避傷害、喜暗惡明等特點設計的。學習方式主要包括2種：一是防御性回避學習，如穿梭箱、爬桿、電擊等；二是辨別性學習，如各類迷宮，其中Morris 水迷宮雖然被作為學習記憶功能評價的“金標準”，但其耗時長、體耗大，不能真正體現動物的學習情形，尤其不適合老年動物，這顯然不利于對學習記憶及腦認知干預的深入研究[8]。隨著神經科學的快速發(fā)展，行為學分析的標準和概念都面臨新挑戰(zhàn)。如何將傳統的行為學研究方法和最新的理論技術相結合，為學習記憶功能調控研究提供更合適的模型是今后發(fā)展的重要方向。

依賴視覺系統的感知功能，哺乳動物分辨所見物體的特征，經腦皮質過濾、篩選、處理和加工，形成對學習和記憶有重要意義的綜合視知覺[1]。因此，視覺學習的腦機制探索是深化腦科學領域研究的關鍵。在神經網絡的研究中，視覺刺激是最常用的環(huán)境因素。近年來，一種新的適合嚙齒動物視覺學習的觸屏式學習測試方法先后被美國和英國報道。這種方法通過電腦屏幕上的不同圖形對鼠進行視覺刺激，動物鼻觸或微壓開關做出應答，并結合獎懲機制，分辨正確時將瞬時得到食物獎賞，錯誤時給予懲罰。這是一種刺激-反應-反饋一體化的自動控制方法，具有許多優(yōu)點：①人和鼠都適用，有利于人、鼠模型的轉化。②可控性較好。③同一裝置可用于多種認知實驗，有利于比較。④電腦自動化控制，精確性好。⑤易于實現標準化。⑥以食物為獎勵增加了食欲，適用于轉基因動物。⑦體能消耗低。⑧能在較短時間內達到良好的訓練效果，適合高通量研究。

觸屏式視覺識別學習系統是一種在大鼠主動愉悅的學習過程中實時、簡便、高效地評價其認知功能的模型，已在行為學、疾病模型和藥學領域得到良好的應用。此外，還發(fā)現各種優(yōu)化實驗的方法：①確定并減少各種自發(fā)刺激偏離因素，如大鼠本身對某些刺激產生偏好。②設計合理的刺激圖形。③增加實驗間隔，增加每輪的刺激次數。④選擇合適的獎賞食物種類等[9]。

3 海馬成體NSCs的可塑性與學習記憶功能的關系

以往研究[10]發(fā)現，神經元之間突觸的可塑性是學習和記憶的神經細胞學基礎，LTP是學習和記憶的神經細胞學機制。然而，包括人在內的成年哺乳動物海馬顆粒下區(qū)(SGZ)/齒狀回(DG)和側腦室管膜下區(qū)/嗅球2個特定區(qū)域存在大量NSCs，這打破了成體腦神經細胞不能再生的觀點。海馬是公認的學習和記憶的中心，所以海馬區(qū)NSCs再生是腦可塑性的重要體現，是學習和記憶研究的熱點[11]。

3.1海馬NSCs再生的過程海馬NSCs再生可發(fā)生在整個生命過程，包括5個過程：SGZ前體細胞的激活、前體細胞和中間細胞的增生、NSCs的產生、未成熟神經元的整合和DG成體顆粒神經元的成熟[10]。在再生過程中，新生的神經細胞發(fā)生一系列的變化[12]，包括形態(tài)學的改變和功能的改變[13]，此過程中大多數細胞凋亡，只有10%～50%的細胞存活數周或終生，并分化為顆粒細胞，整合到海馬的神經環(huán)路[14]。成熟顆粒細胞具有典型的三級突觸海馬環(huán)路[15]。與成熟顆粒細胞相比，新生神經元具有特別的神經環(huán)路。起初新生神經元接受成熟顆粒細胞的神經支配和CA3區(qū)錐形細胞的直接反饋，約1個月后主要接受由周邊或側邊內皮層輸入的信息，因為周邊或側邊內皮層是整合特殊感官和環(huán)境信息的重要部位，所以新生神經元這種特別的神經通路決定了其特異的功能[16]。

3.2海馬NSCs再生的影響因素通常海馬以極低的速度發(fā)生神經再生，但在一些內外部環(huán)境作用下新生細胞數量可發(fā)生很大改變。研究[17]證明海馬依賴的學習任務促進海馬神經細胞再生，但同時也受多種其他因素的影響，如未成熟神經元的年齡。研究[18]發(fā)現，只有在特定階段的新生神經細胞(小鼠4周左右，大鼠11～15 d)接受學習才能促進新生細胞的存活，之后才能通過檢測即早基因的表達發(fā)現特定時間窗(小鼠4～10周，大鼠16～20 d[19-20])的新生神經元被激活，參與記憶鞏固和重拾，而在時間窗之前還未形成LTP和記憶鞏固所需要的神經聯絡。研究[21]也指出，在時間窗之前新生神經元的神經通路還未建立，而之后細胞穩(wěn)定的生存能力不再改變，因此新生細胞的成熟過程是決定海馬依賴性學習是否影響以及如何影響細胞生存的一個關鍵因素。海馬依賴的學習任務對海馬NSCs再生的作用還受多種內外部因素的影響，如種別[22]、性別[23]、年齡[24]和藥物[25]等，適當學習任務的種類和復雜程度的學習[26]、體能鍛煉[27]、環(huán)境強化[28]可明顯促進海馬NSCs再生，促進生理狀態(tài)下的認知甚至改善病理狀態(tài)下的認知障礙。

3.3海馬NSCs再生對學習記憶的影響Deng等[5]在綜述中提到，在14個研究中分別用 X線照射、細胞增殖抑制劑、遺傳基因操作等阻遏神經細胞再生，然后進行后續(xù)的認知學測試，其中8個研究中未發(fā)現空間學習的獲得障礙，而5個研究中發(fā)現有認知障礙，還有1個研究中發(fā)現不影響在Morris水迷宮中的學習而影響在巴恩斯迷宮中的學習。這些研究中有的也報道了記憶功能，其中3個研究中未發(fā)現短期和長期記憶的缺陷，而8個研究中有缺陷。這些研究結果并不一致，神經細胞再生和學習記憶的因果關系也并未明確。然而進一步分析表明，神經細胞再生在圖案分辨這個特定的海馬依賴性學習記憶過程中發(fā)揮著重要的作用，但由于不同的實驗方法、工具和任務對測試的圖案分離能力的要求不同，導致得出神經細胞再生和學習記憶關系不一致的結論。明確了神經細胞再生和圖案分離的因果關系后發(fā)現，只有那些對圖案分離能力要求高的研究才會發(fā)現神經細胞再生與學習記憶的因果關系，即去除了神經細胞再生，學習記憶受損。研究[29]發(fā)現，增加成體海馬神經細胞再生能提高圖案分辨認知能力，但是當區(qū)別很大或者是不同的環(huán)境時，認知獲得能力并沒有提高?？傊?，受各種誘導因素從成體NSCs分化而來的新生神經細胞對海馬依賴性學習記憶任務的執(zhí)行具有明顯的促進作用。雖然神經細胞再生對學習記憶不是必須的，但其對學習的促進作用不可忽略。

還有研究[29]提出，輕微減少海馬神經細胞再生并不明顯影響動物的記憶功能，只有將神經細胞再生降低到一定程度才會損傷海馬依賴的學習記憶。海馬DG的信息處理是否大部分由成體新生神經元完成？為什么少量的新生神經元就能影響整個大腦的功能？有研究[30-31]通過檢測即早基因的表達發(fā)現，海馬內新生的神經元興奮性較高，對輸入信號靈敏，受γ氨基丁酸能神經遞質抑制性影響小，更容易被激活，而且，新生的神經元能迅速整合于海馬網絡，促進海馬學習和記憶。此外，新生神經元還能通過選擇性激活多種調節(jié)通路與許多不同的中間神經元發(fā)生聯系，并可調控其他腦區(qū)功能。因此，少量的新生神經元就能對整個大腦的學習記憶功能產生重要作用。

4 通過BDNF分子信號對學習記憶功能的調控

BDNF是神經營養(yǎng)家族的一員，BDNF與其受體TrkB結合后介導多種信號轉導途徑，發(fā)揮多種生物學作用，影響學習記憶[32]。其中，在成熟神經元，BDNF參與突觸的產生、維持和修飾等結構性調節(jié)，并通過增加突觸的密度和樹突的分枝促進神經形態(tài)學改變[33]；BDNF還參與神經傳遞、受體活性等功能性調節(jié)，并促進突觸的可塑性[34]。在未成熟神經元，BDNF調控神經元的增生、神經前體細胞和新生神經元的分化、成熟、生存和再生[35]。BDNF是介導海馬神經細胞再生與學習記憶的一個不可忽視的中間變量，它直接參與調控海馬的可塑性，是管理學習記憶的一個重要活性因子。BDNF具有獨特的維持神經結構和學習記憶功能環(huán)路的耦合作用，BDNF水平的動態(tài)變化與認知程度密切相關[36]。研究[37-38]發(fā)現，強迫性和自覺性鍛煉都能增加海馬空間學習記憶能力和增強BDNF、TrkB及其介導的下游信號分子的表達水平。同樣阻抗訓練可提高海馬BDNF、CREB表達并激活mTOR[39]。此外，Sun等[40]發(fā)現環(huán)境強化通過提高BDNF的表達促進老年癡呆小鼠認知能力的恢復。而視覺學習訓練是否能通過BDNF介導的信號途徑影響海馬神經細胞再生及學習記憶還有待于進一步研究。

5 結論

海馬可塑性除了既往普遍認為的突觸可塑性外，以成體神經細胞再生為標志的細胞可塑性豐富和補充了海馬的可塑性。破壞神經細胞再生會導致相關認知障礙，而學習、環(huán)境增強和運動鍛煉能促進神經再生，再生的神經細胞又反過來提高海馬學習記憶功能并拯救因海馬神經細胞再生能力降低所致的記憶障礙。因此，學習訓練和海馬神經細胞再生相互促進。分子學上，介導神經細胞再生和學習記憶的一個關鍵因子BDNF 通過多種信號轉導途徑影響海馬神經細胞可塑性，調節(jié)與學習記憶相關的基因轉錄和蛋白質翻譯，是促進學習記憶的一個重要的中間變量。視知覺學習作為一種特殊的學習方式能夠促進記憶功能，這為研究腦認知科學展開新的視角，但也提出許多挑戰(zhàn)性的問題。

[1]Kim S，Jeneson A，van der Horst AS，et al.Memory，visual discrimination performance，and the human hippocampus[J].J Neurosci，2011，31(7)：2624

[2]Park S，Chun MM，Johnson MK.Refreshing and integrating visual scenes in scene-selective cortex[J].J Cogn Neurosci，2010，22(12)：2813

[3]Matsumoto Y，Hirashima D，Terao K，et al.Roles of NO signaling in long-term memory formation in visual learning in an insect[J].PLoS One，2013，8(7)：e68538

[4]Koller HP.Visual processing and learning disorders[J].Curr Opin Ophthalmol，2012，23(5)：377

[5]Deng W，Aimone JB，Gage FH.New neurons and new memories：how does adult hippocampal neurogenesis affect learning and memory?[J].Nat Rev Neurosci，2010，11(5)：339

[6]Koehl M，Abrous DN.A new chapter in the field of memory：adult hippocampal neurogenesis[J].Eur J Neurosci，2011，33(6)：1101

[7]Yau SY，Lau BW，Zhang ED，et al.Effects of voluntary running on plasma levels of neurotrophins，hippocampal cell proliferation and learning and memory in stressed rats[J].Neuroscience，2012，222：289

[8]Mutlu O，Ulak G，Celikyurt IK，et al.Effects of olanzapine，sertindole and clozapine on learning and memory in the Morris water maze test in naive and MK-801-treated mice[J].Pharmacol Biochem Behav，2011，98(3)：398

[9]Bussey TJ，Padain TL，Skillings EA，et al.The touchscreen cognitive testing method for rodents：how to get the best out of your rat[J].Learn Mem，2008，15(7)：516

[10]Ming GL，Song H.Adult neurogenesis in the mammalian brain：significant answers and significant questions[J].Neuron，2011，70(4)：687

[11]Jun H，Mohammed QHS，Rigby MJ，et al.Functional role of adult hippocampal neurogenesis as a therapeutic strategy for mental disorders[J].Neural Plast，2012，2012：854285

[12]Ho N，Sommers MS，Lucki I.Effects of diabetes on hippocampal neurogenesis：links to cognition and depression[J].Neurosci Biobehav Rev，2013，37(8)：1346

[13]Aimone JB，Gage FH.Modeling new neuron function：a history of using computationalneuroscience to study adult neurogenesis[J].Eur J Neurosci，2011，33(6)：1160

[14]Garthe A，Kempermann G.An old test for new neurons：refining the Morris water maze to study the functional relevance of adult hippocampal neurogenesis[J].Front Neurosci，2013，7：63

[15]Konefal S，Elliot M，Crespi B.The adaptive significance of adult neurogenesis：an integrative approach[J].Front Neuroanat，2013，7：21

[16]Vivar C，van Praag H.Functional circuits of new neurons in the dentate gyrus[J].Front Neural Circuits，2013，7：15

[17]Epp JR，Chow C，Galea LA.Hippocampus-dependent learninginfluences hippocampal neurogenesis[J].Front Neurosci，2013，7：57

[18]Epp JR，Haack AK，Galea LA.Activation and survival of immature neurons in thedentate gyrus with spatial memory is dependent on time of exposure to spatial learning and age of cells at examination[J].Neurobiol Learn Mem，2011，95(3)：316

[19]Stone SS，Teixeira CM，Zaslavsky K，et al.Functional convergence of developmentally and adult-generated granule cells in dentate gyrus circuits supporting hippocampus-dependent memory[J].Hippocampus，2011，21(12)：1348

[20]Gu Y，Arruda-Carvalho M，Wang J，et al.Optical controlling reveals time-dependent roles for adult-born dentate granule cells[J].Nat Neurosci，2012，15(12)：1700

[21]Epp JR，Spritzer MD，Galea LA.Hippocampus-dependent learning promotes survivalof new neurons in the dentate gyrus at a specific time during cell maturation[J].Neuroscience，2007，149(2)：273

[22]Brus M，Keller M，Levy F.Temporal features of adult neurogenesis：differences andsimilarities across mammalian species[J].Front Neurosci，2013，7：135

[23]Chow C，Epp JR，Lieblich SE，et al.Sex differences in neurogenesis and activation of new neurons in response to spatial learning and memory[J].Psychoneuroendocrinology，2013，38(8)：1236

[24]Bishop NA，Lu T，Yankner BA.Neural mechanisms of ageing and cognitive decline[J].Nature，2010，464(7288)：529

[25]Anacker C，Zunszain PA，Cattaneo A，et al.Antidepressants increase human hippocampal neurogenesis by activating the glucocorticoid receptor[J].Mol Psychiatry，2011，16(7)：738

[26]Epp JR，Haack AK，Galea LA.Task difficulty in the Morris water task influences the survival of new neurons in the dentate gyrus[J].Hippocampus，2010，20(7)：866

[27]Creer DJ，Romberg C，Saksida LM，et al.Running enhances spatial pattern separation in mice[J].Proc Natl Acad Sci USA，2010，107(5)：2367

[28]Birch AM，McGarry NB，Kelly AM.Short-term environmental enrichment，in the absence of exercise，improves memory，and increases NGF concentration，early neuronal survival，and synaptogenesis in the dentate gyrus in a time-dependent manner[J].Hippocampus，2013，23(6)：437

[29]Sahay A，Scobie KN，Hill AS，et al.Increasing adult hippocampal neurogenesis is sufficient to improve pattern separation[J].Nature，2011，472(7344)：466

[30]Couillard-Despres S，Iglseder B，Aigner L.Neurogenesis，cellular plasticity and cognition：the impact of stem cells in the adult and aging brain：a mini-review[J].Gerontology，2011，57(6)：559

[31]Nakashiba T，Cushman JD，Pelkey KA，et al.Young dentate granule cells mediate pattern separation，whereas old granule cells facilitate pattern completion[J].Cell，2012，149(1)：188

[32]Callaghan CK，KellyM.Differential BDNF signaling in dentate gyrus and perirhinal cortex during consolidation of recognition memory in the rat[J].Hippocampus，2012，22(11)：2127

[33]Lin TW，Chen SJ，Huang TY，et al.Different types of exercise induce differential effects on neuronal adaptations and memory performance[J].Neurobiol Learn Mem，2012，97(1)：140

[34]Bramham CR，Panja D.BDNF regulation of synaptic structure，function，and plasticity[J].Neuropharmacology，2014，76(Pt C)：601

[35]Waterhouse EG，An JJ，Orefice LL，et al.BDNF promotes differentiation and maturation of adult-born neurons through GABAergic transmission[J].J Neurosci，2012，32(41)：14318

[36]Berchtold NC，Castello N，Cotman CW.Exercise and time-dependent benefits to learning and memory[J].Neuroscience，2010，167(3)：588

[37]Alomari MA，Khabour OF，Alzoubi KH，et al.Forced and voluntary exercises equally improve spatial learning and memory and hippocampal BDNF levels[J].Behav Brain Res，2013，247：34

[38]Fang ZH，Lee CH，Seo MK，et al.Effect of treadmill exercise on the BDNF-mediated pathway in the hippocampus of stressed rats[J].Neurosci Res，2013，76(4)：187

[39]Suijo K，Inoue S，Ohya Y，et al.Resistance exercise enhances cognitive function in mouse[J].Int J Sports Med，2013，34(4)：368

[40]Sun H，Zhang J，Zhang L，et al.Environmental enrichment influences BDNF and NR1 levels in the hippocampus and restores cognitive impairment in chronic cerebral hypoperfused rats[J].Curr Neurovasc Res，2010，7(4)：268

(2013-12-06收稿 責任編輯姜春霞)

10.13705/j.issn.1671-6825.2014.05.001

*國家自然科學基金資助項目 31272318；河南省重點科技攻關項目 122102310203