探索大腦的奧秘

王玉田

每個(gè)人的一生中都有許多想永遠(yuǎn)銘記的時(shí)刻，我們希望美好的記憶保存得越久越好。有時(shí)我們盼望著記憶力的突增，比如高中生在高考前夕希望知識能短時(shí)間內(nèi)全部印在腦海中，以期取得好成績。但如果大腦發(fā)生病變，導(dǎo)致記憶嚴(yán)重下降，不僅影響病人的生活質(zhì)量，也會給家庭造成沉重的負(fù)擔(dān)。所以記憶是我們生活所必需的最基本的能力。1906年德國神經(jīng)病理學(xué)家阿爾茨海默，根據(jù)病人的表現(xiàn)，描述了記憶障礙的“早老性癡呆”病例，這個(gè)疾病在1910年被命名為阿爾茨海默癥（簡稱AD），它是最常見、最典型的老年性記憶障礙疾病，目前尚沒有理想的治療方法。

當(dāng)然，記憶也并非記得越牢固越好，對于那些極度恐懼、造成心理創(chuàng)傷的病理性的記憶，則是越快清除越好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從戰(zhàn)場上回來的美國士兵，大約有12%-20%的人都患有創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD），他們的大腦內(nèi)形成了恐懼性的記憶，將影響他們終生的生活質(zhì)量。像這種強(qiáng)的病理性記憶需要盡量消除，這給科學(xué)家與醫(yī)生提出了很大的挑戰(zhàn)——如何延長正面記憶、消除負(fù)面記憶、干預(yù)記憶的障礙？這就要回到大腦的基本功能和基本機(jī)理上來。只有知道了大腦是如何形成記憶、維持記憶和保存記憶的，才有希望研究特別的藥物延長記憶或消退記憶。我們的大腦大約有860億個(gè)神經(jīng)元，這些神經(jīng)元在大腦內(nèi)相互連接，像一個(gè)計(jì)算機(jī)一樣，構(gòu)成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成大腦的功能。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間，神經(jīng)與神經(jīng)的連接和信息轉(zhuǎn)遞主要靠一個(gè)很小的組織結(jié)構(gòu)——突觸來完成。突觸由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜三部分構(gòu)成，突觸前膜和突觸后膜之間沒有直接的物理聯(lián)結(jié)，而是被一個(gè)空間隔開了。這個(gè)突觸間隙的存在使第一個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生的信息不能直接擴(kuò)散到第二個(gè)神經(jīng)元，而是需要經(jīng)過復(fù)雜的由電到化學(xué)再回到電的突觸傳遞的過程。它不像電纜傳遞那么“可靠”，“不可靠”就容易發(fā)生病變，生理和病理都會影響它傳遞的強(qiáng)與弱，但“不可靠性”的優(yōu)勢在于可以人為地調(diào)整，使神經(jīng)興奮傳遞的強(qiáng)度可以通過一定的生理、病理過程或藥理干預(yù)進(jìn)行上調(diào)和下調(diào)。

根據(jù)神經(jīng)元突觸傳遞有很強(qiáng)的可塑性，1949年加拿大生理和心理學(xué)家赫布提出了赫布突觸可塑性的記憶假說（Hebbian synapse），他推測神經(jīng)元活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)可以導(dǎo)致突觸連接可持續(xù)性地加強(qiáng)，而這種突觸傳遞增強(qiáng)可能是形成記憶的主要機(jī)理。如果赫布的理論是正確的話，我們應(yīng)當(dāng)能夠在大腦內(nèi)（特別是那些與記憶有關(guān)的腦區(qū)）找到這種具有強(qiáng)的神經(jīng)元活動(dòng)依賴性可塑性的突觸（赫布突觸）。有一個(gè)非常著名的H.M.（亨利·莫萊森）患者促進(jìn)了赫布科學(xué)家對赫布突觸的尋找，他在少兒時(shí)從自行車上摔下來后造成了腦部創(chuàng)傷，造成腦創(chuàng)傷性癲癇，開始可以用藥物治療，后來藥物控制不住了，醫(yī)生只能用手術(shù)的方法將他大腦內(nèi)的癲癇灶切除。被切除的腦組織包括一個(gè)有點(diǎn)像倒立的海馬結(jié)構(gòu)，所以被稱作海馬體。醫(yī)生發(fā)現(xiàn)切掉了這些包括海馬體腦組織后，癲癇得到了很好的控制，但醫(yī)生發(fā)現(xiàn)該患者術(shù)后無法形成新的長期記憶。這使醫(yī)生和科學(xué)家聯(lián)想到海馬體可能與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的一個(gè)腦區(qū)。英國科學(xué)家Richard Morris為了進(jìn)一步證明海馬體在學(xué)習(xí)記憶中的作用做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)把老鼠大腦兩側(cè)的海馬體損傷后，它不能記起水迷宮里的逃逸平臺，結(jié)果證實(shí)了海馬體是形成學(xué)習(xí)記憶的重要區(qū)域。于是科學(xué)家集中精力在海馬區(qū)尋找具有可塑性的赫布突觸。發(fā)現(xiàn)給予強(qiáng)的高頻刺激時(shí)，神經(jīng)元傳遞的效率產(chǎn)生了長期增強(qiáng)，故稱之為長時(shí)程增強(qiáng)（LTP），可能與記憶的維持有關(guān)。而給予低頻的刺激則使突觸間的連接興奮傳遞的速率變得更弱，這種減弱效應(yīng)也是長時(shí)程的，故被稱作長時(shí)程抑制（LTD），可能與記憶的衰退有關(guān)。長時(shí)程增強(qiáng)和長時(shí)程抑制是怎么形成的？如果病理性記憶太強(qiáng)，是否可以選擇性地抑制長時(shí)程增強(qiáng)讓記憶減弱？如果發(fā)生了記憶障礙，可否選擇性地抑制長時(shí)程抑制以延緩他的記憶？

1997年我們實(shí)驗(yàn)室通過方法學(xué)上的革新，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：突觸傳遞的強(qiáng)弱不光可以被突觸前末梢介質(zhì)釋放和突觸后膜受體功能調(diào)節(jié)，實(shí)際上還可以有效地通過調(diào)節(jié)突觸后膜表面受體的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)。這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)出乎意料的調(diào)節(jié)方式，因?yàn)橐郧罢J(rèn)為突觸后膜受體數(shù)量是相對穩(wěn)定而不輕易改變的。而我們的結(jié)果說明突觸后膜受體表達(dá)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的，正常情況下在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞膜表面動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)，可進(jìn)可出，保持著一個(gè)平衡，因此突觸后膜受體數(shù)目一直保持著動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。在特定的情況下，從細(xì)胞內(nèi)像膜表面轉(zhuǎn)運(yùn)速度選擇性的加速時(shí)細(xì)胞膜表面，包括突觸后膜的受體數(shù)目快速增加而提高突觸傳遞的強(qiáng)度。事實(shí)上這不難理解，因?yàn)槊恳粋€(gè)受體都是一個(gè)離子通道，通道數(shù)目多了，傳遞的速率就會增加。通過與其他科學(xué)家的共同努力，很快我們又提供了證據(jù)說明快速持續(xù)增加和減少突觸后膜的AMPA受體的數(shù)目是分別產(chǎn)生海馬長時(shí)程增強(qiáng)和長時(shí)程抑制的主要分子機(jī)制。

這些機(jī)制研究的突破是我們提出新的海馬記憶保持和消退假說：持續(xù)增加突觸后膜受體導(dǎo)致突觸傳遞長時(shí)程增強(qiáng)使記憶維持，而持續(xù)減少突觸后膜受體數(shù)目則導(dǎo)致長時(shí)程抑制和記憶消退。假如我們能設(shè)計(jì)一個(gè)藥物，把這一長時(shí)程抑制特異的突觸后膜受體內(nèi)吞打斷，讓受體在突觸后膜上不再減少，我們即有可能減緩記憶衰退。

我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的努力，通過研究長時(shí)程抑制過程中受體特異的從突觸后膜轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)（受體內(nèi)吞）機(jī)理，設(shè)計(jì)了一個(gè)藥物多肽藥物 tat-GluA2-3Y，它可以通過血液循環(huán)跨越血腦屏障運(yùn)輸至腦組織進(jìn)入神經(jīng)元內(nèi)，從而選擇性地阻斷神經(jīng)元活動(dòng)依賴性突觸后膜AMPA受體的內(nèi)吞。我們首先用電生理方法證明在整體動(dòng)物上用藥后該多肽能夠選擇性地阻斷海馬長時(shí)程抑制，而不影響正常突觸傳遞和長時(shí)程增強(qiáng)。然后我們利用被動(dòng)回避實(shí)驗(yàn)評估我們的多肽對動(dòng)物記憶的影響。在這個(gè)試驗(yàn)中有兩個(gè)箱子，一個(gè)明箱，一個(gè)暗箱。把正常的老鼠放在明箱里，燈光一照，老鼠就迅速地進(jìn)到暗箱里，因?yàn)槔鲜蟛幌矚g刺激的環(huán)境，愿意藏到黑暗里。如果我們訓(xùn)練它，每進(jìn)暗箱一次，就給它一次小的電擊，它就趕緊退出來。幾次訓(xùn)練后，如果老鼠記住暗箱有電擊，再把老鼠放進(jìn)明箱，它就會猶豫一段時(shí)間而不想進(jìn)入暗箱。通過測量老鼠由明箱進(jìn)到暗箱所用的時(shí)間，我們就能判斷老鼠記憶的強(qiáng)弱，它記憶得好，就會用更長的時(shí)間來進(jìn)到暗箱，記憶不好就會很快進(jìn)入到暗箱里去。刺激后一個(gè)小時(shí)來測量記憶強(qiáng)度時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)沒有經(jīng)過電擊訓(xùn)練的老鼠，很快就進(jìn)到暗箱去了，而經(jīng)過電擊訓(xùn)練的老鼠，則需要60秒才會進(jìn)到暗箱里去，證明動(dòng)物能學(xué)會也能記住。但在24小時(shí)以后再檢測，經(jīng)過電擊訓(xùn)練，但沒有用藥的老鼠像沒訓(xùn)練過的鼠，很快進(jìn)入暗箱，說明它們已完全忘記24小時(shí)前的電刺激。但如果老鼠經(jīng)過訓(xùn)練以后立即接受了這個(gè)藥物注射，24小時(shí)后，它仍然猶豫好長時(shí)間不進(jìn)入暗箱，說明它們?nèi)匀贿€記著箱子里邊會有電擊，證明這個(gè)藥通過阻斷突觸后膜受體的內(nèi)吞，延緩長時(shí)程抑制可以讓減緩記憶的消退，從而延長記憶。既然該藥能延長正常記憶，那么它能不能把阿爾茨海默癥（AD）這個(gè)記憶障礙挽救回來，或者減緩記憶消退進(jìn)程？我們用帶有阿爾茨海默癥病變基因的小鼠做了同樣的測試。一般正常老鼠兩年也不會發(fā)生記憶障礙，但這種AD小鼠在60天左右就會發(fā)生記憶障礙。我們在小鼠30天時(shí)，對它進(jìn)行電擊訓(xùn)練，電擊訓(xùn)練好后，用藥處理，每天一針。等到60天時(shí)，可以看到對照組記憶消退了，記不住了。但是用藥的實(shí)驗(yàn)組，小鼠的記憶仍然沒有明顯的消退。我們的試驗(yàn)說明這個(gè)藥可以通過阻斷記憶消退的機(jī)制來延長正常老鼠的記憶維持和延緩AD老鼠的記憶衰減。同理我們也可以推斷，這一類藥物的進(jìn)一步研發(fā)可以在一定的程度上緩解諸多跟記憶障礙有關(guān)的疾病，包括常見的血管性癡呆，還有中風(fēng)后記憶障礙，從而提高記憶障礙患者的生活質(zhì)量。

在未來幾年里，我們團(tuán)隊(duì)一方面注重把包括Tat-GluA-Y在內(nèi)的前期研發(fā)出來的多肽和小分子藥物，轉(zhuǎn)化到臨床進(jìn)一步服務(wù)患者，以解除患者的病痛，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到臨床的轉(zhuǎn)化。另一方面我們將繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中對學(xué)習(xí)和記憶的分子機(jī)制作更深入的研究，以便開發(fā)出更精準(zhǔn)的記憶干預(yù)方法;還有，我們會通過在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)新的問題，將這些問題再帶回到實(shí)驗(yàn)室，為日后實(shí)驗(yàn)室深入研究腦功能和重大腦疾病的發(fā)病機(jī)制提供新的研究思路。