分子生物学：第八章学习与记忆的分子机制

1、第八章 学习与记忆的分子基础 国际上曾把20世纪90年代的十年称为“脑的十年”，现在又把21世纪开始的时代称为脑科学时代。脑作为一个特别复杂的超巨系统，正在吸引整个自然科学界越来越大的关注。伴随着脑科学以空前的广度和深度发展的趋势，新思想、新概念、新技术不断引入本学科的研究中，使神经科学成为生命科学中的一个发展高峰。学习和记忆的概念学习：是指人和动物获得关于外界信息的过程。记忆：记忆是将获得的信息进行储存和读出的过程。关于学习和记忆的研究简史1.巴甫洛夫的条件反射为学习和记忆的研究纳入了实验神经科学的范畴。2.Cajal认为学习过程可能产生持续性的神经细胞间连接的形态学变化，这种变化可能是记忆

2、的神经基础。3.Hebb提出突触传递改变理论：他设想在学习过程中有关的突触发生了某种变化，导致突触连接的增强和传递效能的提高；重复持续的活动可导致神经细胞间连接的长时程变化，并可以固定下来。4.近年来认为，学习和记忆是突触发生形态和功能改变的结果。学习和记忆的分类1.种族记忆（memory of species）： 长期进化过程中积累的信息构成出生时脑所具有的基本构筑和连接，以及先天具有的感觉和运动功能。2.个体记忆（individual memory）： 在个体的生命过程中积累的信息的保存和读出功能。个体学习和记忆（individual memory and learning ）非联合型学习

3、（Non-associative learning） 在刺激和反应之间不形成某种明确的联系形式称为非联合型学习。包括习惯化和敏感化两类。习惯化（habituation）：一个不具有伤害性的刺激重复作用时，神经系统对该刺激的反应逐渐减弱的现象。敏感化（sensitization）：一个强刺激存在时，神经系统对一个弱刺激的反应可能变大的现象。联合型学习（associative learning）联合型学习（associative learning）：个体能够在事件与事件之间建立起某种形式的联系，这种学习称为联合型学习。包括经典条件反射和操作条件反射。经典条件反射（classical conditi

4、oning）：19世纪末, Pavlov将条件刺激（铃声）与非条件刺激（肉）配对，经过多次配对后，狗学会了将铃声与肉给予联系，当听到铃声时就分泌唾液，这种对条件刺激的习得性反应称为条件反射。操作条件反射（Operant conditioning）:本世纪初，哥伦比亚大学心理系Thorndike发现并研究了这一类型的联合型学习。在操作条件反射中，动物学会将一个动作反应与一个有意义的刺激（如食物或躲避伤害）相联系。联合型学习的意义在条件反射中，动物学会了一种预示关系。在操作条件反射中，动机起了很重要的作用（只有饥饿的动物才会为了食物而按杠杆），因此操作条件反射对于动物学会生存具有非常重要的意义。陈

5、述性记忆和非陈述性记忆（declarative memory and non- declarative memory ） 记忆短期记忆 长期记忆 陈述性记忆 非陈述性记忆 联合型学习 联合型学习 非联合性学习Declarative memory陈述性记忆(Declarative memory)：是对事实、事件以及他们之间的相互关系的记忆；可以用语言来描述被记忆的内容，这种记忆被称为陈述性记忆。如北京是中国的首都。昨天我听了一个令人振奋的讲座等等。储存的部位：海马、内侧颞叶、间脑以及它们之间 形成的神经网络。Non-declarative memory非陈述性记忆又称为反射性记忆，主要包括感知觉

6、和运动技巧、程序和规则的学习信息的记忆。可分为四种类型，即程序记忆、初始化效应、联合型学习、非联合型学习。1.程序性记忆（procedural memory）：日常生活中不断学习一些技巧，形成一些固定的行为习惯，如骑自行车等。2.初始化效应（priming）：如果你曾经在某一场合无意识接受过一种刺激信息，当这一信息再次出现时，辨认的速度就会加快。3.联合型学习形成的情绪反应和骨骼肌系统反应：4.非联合型学习形成的反射： 非陈述性记忆程序性记忆 初始化效应 联合型学习 非联合型学习（技巧、习惯） （感知觉） （条件反射） （习惯和敏感化） 情绪反应 肌肉反应纹状体 新皮质 杏仁核 小脑运动皮质

7、海马 海马小脑 反射通路工作记忆（working memory）近年来，研究工作者提出工作记忆的概念，它是指临时性的“在线”信息感知、调运、整合、储存的一个常用术语。如骑在自行车上，要回家（现在身处何处？走哪条路线？需要多长时间？）。特点：临时性的信息储存可以在大脑多个部位同时进行，可以是新获取的，也可以是原来储存在大脑中的长期记忆信息。遗忘症（amnesia） 由于某些疾病和脑组织损伤可以造成记忆的严重丧失，这种情形称为遗忘症。逆行性遗忘症（retrograde amnesia）：是指对脑损伤前发生的事情的记忆丧失。顺行性遗忘症（anterograde amnesia） ：是指对脑损伤后发生

8、的事情不能形成新的记忆。三.记忆的脑组织：记忆的印迹 (一)概念：记忆的物质代表或记忆所在的部位称为记忆印迹（memory trace,or engram）。（二）Lashley的大鼠迷宫实验：（三）Hebb的细胞集合学说：（四）陈述性学习的新皮质定位： 1.猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察： 2.人类颞叶电刺激实验 3.人颞叶大面积切除病例的行为观察（五）间脑和陈述性记忆 ：（二）Lashley的大鼠迷宫实验（二） Lashley的大鼠迷宫实验1.损伤大脑皮质干扰了大鼠的学习能力。2.大脑皮质的损毁破坏了大鼠对迷宫路线的记忆能力。3.损伤大脑皮质的面积越大，大鼠的学习和记忆能力就越差。大

9、脑的所有皮质区域对学习和记忆都同样重要，这就是他的著名的同等能力原理（principle of equipotentiality）。（三）Hebb的细胞集合学说：有机体对刺激的反应是由被这一刺激激活的所有细胞来实现的；同时被激活的神经元称为细胞集合；细胞集合内的神经元彼此交互联系；刺激出现时，细胞集合内的神经元被激活并通过联系相互应答；这一刺激就以短时记忆被储存下来；如果细胞集合内的神经元活动持续时间足够长，就会使神经元之间的联系增强，对刺激的记忆就得以巩固，记忆痕迹就会长期地被保存下来。以后，只要该细胞集合中的部分神经元被激活，由于神经元间的强有力的相互联系将使整个细胞集合全部被激活，对刺激

10、的回忆就被实现。（三）Hebb的细胞集合学说：（三） Hebb的细胞集合学说：1.记忆印迹广泛分布于细胞集合的神经突触联系中。2.细胞集合可由那些参与感觉和感知的同一群神经元组成。3.细胞集合中的部分神经元被损坏并不能消除记忆。（四）陈述性记忆的新皮层定位1）猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察：A.训练猴子执行视觉分辨任务操作（分辨猴的脸谱）。B.记录猴在执行视觉分辨任务时大脑皮层（颞下回）的电活动。C.刺激执行视觉分辨任务的中枢，观察猴的行为。D.损毁视觉分辨中枢，观察猴的行为反应，从而了解皮层的中枢与行为的关系。（四）陈述性记忆的新皮层定位1）猴的颞叶皮质与视觉分辨力关系实验观察：（四）

11、陈述性记忆的新皮层定位1）猴的颞叶皮质与视觉分辨力实验：实验结论：A. .猴子可以执行视觉分辨任务操作（分辨猴的脸谱）。B. 执行视觉分辨任务的中枢位于颞下回。C.猴的颞下回既是高级的视觉中枢区，又是一个记忆的存储区。2）人类颞叶电刺激实验：A.刺激躯体感觉区，患者有皮肤针刺样感觉；刺激运动皮质引起肌肉的抽搐；刺激颞叶产生幻觉或过去经历的回忆。B.切除颞叶后，原先刺激着一部位所唤起的记忆，可以被刺激其他部位所唤起。3）大面积切除人类颞叶病历的行为观察：A.颞叶切除术：27岁，男性，切除双侧的内侧颞叶（包括内侧颞叶、杏仁体、海马的前2/3），癫痫发作被手术成功的缓解。B.术后患者的智力、知觉、个

12、性都没有受影响。C.记忆力出现障碍。表现为部分逆行性陈述性记忆遗忘，严重的顺行性陈述性记忆遗忘，但是非陈述性记忆（程序性记忆）不受损伤。D.短期记忆正常。3）大面积切除人类颞叶病历的行为观察结论：A.颞叶与个体的智力、知觉、个性无关。B.颞叶与久远的长期记忆无关，与非陈述性记忆的形成无关。C.颞叶对记忆的形成，新近陈述性记忆的储存非常重要。D.短期记忆与长期记忆，非陈述性记忆和陈述性记忆的解剖学结构、神经机制不同。（五）间脑和陈述性记忆 ：1.间脑中与记忆有关的结构：丘脑前核、丘脑背内侧核、乳头体2.人类间脑损伤病例研究：3.Korsakoff综合症：1.间脑中与记忆有关的结构：2.人类间脑损

13、伤病例研究：1）基本情况：N.A. 男性， 21岁，被花剑刺伤右侧鼻孔，并深入左脑，CT扫描发现左侧丘脑背内侧核被损坏。2）康复后，N.A.的认知能力正常，短时记忆正常，但长期记忆力遭到破坏（严重的顺行性遗忘和部分的逆行性遗忘）。3）结论：间脑损伤与颞叶切除出现的遗忘症状类似，提示间脑与颞叶的陈述性记忆中枢有密切的关系，是形成陈述性记忆的重要结构。3.Korsakoff综合症：Korsakoff综合症：是由于慢性酒精中毒造成的硫胺素缺乏，常见丘脑背内侧核和乳头体受损，其特点之一是严重的记忆障碍（顺行性遗忘和部分逆行性遗忘）。此外，还伴有异常的眼动，协调性丧失及震颤。脊椎动物学习和记忆的突触机制

14、1.大鼠小脑皮质的突触可塑性 东京大学的Ito给予平行纤维单个脉冲刺激或平行纤维和攀登纤维配对刺激时发现，当给予配对刺激后，再给予平行纤维施加单脉冲刺激时，引起浦肯野氏细胞的兴奋性突触后电位减小，这种变化可持续1小时以上。配对刺激之后，单脉冲刺激平行纤维在浦肯野氏细胞的兴奋性突触后电位减小的现象称为LTD。长时程抑制（long-term depression, LTD）LTD形成的机制： 平行纤维末梢释放谷氨酸，浦肯野氏细胞膜上存在NMPA(使君子酸)受体失敏，使钠内流减少，EPSP时程变短。 攀登纤维末梢释放谷氨酸，与此末梢形成的突触后膜上具有的NMDA受体激活，钙离子内流，浦肯野氏细胞内钙

15、离子含量增高。 浦肯野氏细胞膜上存在谷氨酸代谢型G-磷脂酶C偶联受体，磷脂酶C激活第二信使二脂酰甘油酯（DAG），DAG活化蛋白激酶C。2.海马和新皮质的突触可塑性2.海马和新皮质的突触可塑性2.海马和新皮质的突触可塑性长时程增强（long-term potentiation, LTP）在海马的脑片上给Schaffer侧支单个的脉冲刺激，在CA1神经元上可记录到兴奋性突触后电位；然后给Schaffer侧支强直刺激（50-100个100HZ的电脉冲），在用单个脉冲刺激时，引起的兴奋性突触后电位比强直刺激前大的多。这种增强现象可持续数小时或几天。这种增强的现象称为长时程增强（long-term p

16、otentiation, LTP）.LTP形成的机制Schaffer侧支的末梢释放谷氨酸，CA1细胞的突触后膜上具有AMPA和NMDA受体 。单个脉冲刺激释放的递质只能激活AMPA受体，产生较小的EPSP；强直刺激时， Schaffer侧支末梢释放较多的递质，即可激活AMPA，又可激活NMDA受体；NMDA受体激活后钙离子大量流入CA1 内，钙离子激活PKC和钙-钙调素依赖性的蛋白激酶II；通过磷酸化使AMPA受体的效能增高；通过突触前修饰使Schaffer侧支的末梢释放更多递质。LTP/LTD与记忆1.英国爱丁堡大学心理学家Morris的水迷宫实验（将NMDA受体拮抗剂注入海马，在海马处记录

17、不到LTP，同时小鼠记不住水迷宫中隐藏的平台位置）。2.利用基因工程技术，将NMDA受体的一个亚基的基因剔除，这种被剔除基因的小鼠海马区引导不出LTP，同时小鼠记不住水迷宫中隐藏的平台位置；通过转基因技术，使小鼠的海马过量表达NMDA受体时，则海马处更容易诱导LTP，小鼠的记忆力变的更好，并且可以遗传。LTP 与记忆的关系E-LTP(Early LTP ): 如果强直刺激只有1-2串，诱导出的LTP只能维持1-2小时之内，这种LTP称为早期LTP 。这种E-LTP只能诱导PKC活化，使AMPA受体磷酸化，通过突触前修饰释放更多的递质来实现。与短时记忆的形成有关。L-LTP（Late-LTP）:

18、如果给予4串或更多的强直刺激，诱导出的LTP能够维持在24小时甚至更长，这种LTP称为晚期LTP（L-LTP）。 L-LTP的诱导需要启动细胞核内的基因转录，从而启动新的突触蛋白（调节因子、受体、离子通道等）的合成。与长期记忆的形成有关。 金鱼的条件逃避反射生活环境对大鼠海马皮质锥体细胞树突棘及学习记忆能力的影响1.生活在复杂环境中长大的大鼠，树突棘数量多，学习、记忆能力强。2.生活在简单环境中长大的大鼠，树突棘数量少，学习、记忆能力弱。3.实验提示：复杂的生活环境促进树突棘的形成，树突棘的多寡，与神经微回路形成的数量成正比，神经微回路的数量与学习、记忆能力成正相关。小结1.记忆可分为陈述性和

19、非陈述性两种，陈述性记忆是有意识的回忆，而非陈述性记忆则是无意识的操作。2.陈述性 和非陈述性记忆是有不同的脑结构支持。3.无论是陈述性记忆还是非陈述性记忆，记忆的痕迹都储存与神经通路的可塑性变化之中。4.无论是低等动物还是高等动物，不同类型的记忆有着类似的突触和分子机制学习和记忆均发生在突触。事件的第一步表现为电活动，然后表征为细胞内的第二信使分子，继而表现为突触蛋白质的修饰。若是轻微的刺激，仅能诱发现有的突触蛋白的修饰，产生E-LTP，形成短时记忆。若是强大的刺激，可诱发基因启动，合成新的突触蛋白，产生L-LTP，形成长期记忆。突触结构的改变涉及新蛋白的合成、新微回路的装配、原有神经回路的

20、拆除，这些情形与早期脑的发育过程中的许多机制类似。钙离子参与不同类型的学习和记忆，它具有将电活动与脑内的学习记忆过程偶联起来的特殊作用。1.1 海马区域 海马结构图 LTP形成并保持的分子机制海马的不同区域参与不同类型的学习和记忆，海马CA 3区可能与长时记忆有关，CA l区可能与分辨学习有关。 在海马结构的三突触回路中，Glu是主要的神经递质，Glu在海马内主要有2种受体，即NMDA和非NMDA，而Glu与它们的相互作用，正是LTP形成并保持的分子机制。 LTP形成的突触后机制与N-甲基-D-门冬氨酸(NMDA)受体及该受体激活后的细胞内级联反应密切相关。近年来研究表明，-氨基羟甲基恶唑丙酸

21、(AMPA)受体在LTP的表达中也发挥重要作用。另外，代谢型谷氨酸受体(mGluRs)可以与G蛋白偶联，通过细胞内多种信使系统介导慢突触传递，在LTP的诱发中起重要的调节作用。而且，现在许多人认为LTP的形成和维持还需逆行信使的参与。LTP有三个基本特征：协同性，联合性， 特异性 LTP的时程分PTP，强直后增强，一般5分钟后衰减；STP，短时程增强，持续半小时左右；LTP，长时程增强，持续一小时以上。 LTP与LTD 依赖与活动而改变突触传递效率的方式大致有5种：A、同突触长时程增强，强的突触输入作用后，在同一突触输入通路上产生长时程的突触传递效率的增强；B、联合型突触长时程增强，弱的和强的

22、突触输入协同作用后，在弱的突触输入通路上产生长时程的突触传递效率的增强；C、异突触长时程增强，强的突触输入作用后，可诱导产生弱的突触输入通路上突触传递效率的增强；D、异突触长时程压抑LTD，强的突触输入作用后，引起弱的突触输入通路上突触传递效率的压抑；E、同突触长时程压抑LTD，弱的突触输入作用后，在同一突触输入通路上突触传递效率的压抑。 NMDA受体NR1的结构及Glu的结合位点 4.1.2 NMDA受体在LTP 中的作用 海马发育早期，谷氨酸能神经元内的NMDA受体即可参与 LTP的建立。一定强度和频率的电刺激，可使谷氨酸能突触的后膜去极化，移开阻止Ca2+内流的Mg2+，使NMDA受体通

23、道复合体的Ca2+通道开放，Ca2+内流并触发神经元内一系列生化反应，最终改变突触后膜的性质，继而建立了LTP。 4.1.3 NMDA受体激活后的细胞内级联反应 首先，以G蛋白为中介，激活磷脂酶C， 第二，以IP3和DAG作为细胞内第二信使，引起细胞内继发效应。第三，PKC使蛋白质磷酸化，并修饰核转录因子，转录因子的修饰促使早期诱导基因的表达，进而影响核内相关靶基因的启动和转录，导致突触后神经元产生LTP生理效应。 4.2 AMDA受体及其在LTP中的作用4.2.1 AMPA受体的特性 AMPA受体是由GluR1GluR4四个亚型组成的复合物。在高频刺激海马CA1区或其他兴奋性突触诱导LTP产

24、生过程中，突触后膜去极化，NMDA受体通道开放，细胞内Ca2+ 持续升高，Ca2+与CaM 结合激活CaMK，AMPA受体亚型GluR1被磷酸化，AMPA受体从非突触位点，如细胞内或邻近的突触外膜，重新分布到突触部位。 AMPA受体的拓扑学结构 4.2.2 AMPA受体在LTP中的作用 LTP的产生会引起AMPA受体与递质的结合量增加，这表明LTP的表达可能与AMPA受体在静寂突触上的再现有关。 在LTP产生过程中，静寂突触转变成功能性突触，是细胞内NSF依赖性AMPA受体经胞吐外排，再重新插入细胞膜上产生的。 AMPA 受体通过构成性通路和维持性通路两条调节机制插入和移出突触。 谷氨酸受体结

25、构 4.3.3 mGluRs的在细胞中的级联反应 mGluRs与G蛋白耦联，经过磷酸二肌醇环路后，能激活各种第二信使的级联反应。目前已被证实的mGluRs作用途径为： mGluRs与G蛋白耦联后将会激活磷脂酶C，从而使细胞膜内PIP2水解，继而产生DG与IP3，进一步诱导蛋白激酶C的转位和激活，以及细胞内钙库释放增加，导致胞浆内Ca浓度持续升高，最后引起一系列生化反应。 4.4 钙调磷酸酶（CN）及其在LTP中的作用 钙调磷酸酶(calcineurin，CN)是一种由细胞内钙调控的丝/苏氨酸蛋白酶， CN参与了淋巴细胞的激活、神经元突触的可塑性、神经突起的生长、肌肉细胞的激活及脊椎动物心瓣膜的

26、形态发生。 4.4.1 CN的结构 纯化的CN是一个异源二聚体，包括一个催化亚基CNA和一个调节亚基CNB。目前已在酵母、丝状真菌、原生动物、昆虫及哺乳动物中确定两个亚基的基因结构，这些亚基联系紧密，只有使用变性剂才能使其分离。 4.4.2 CN的分布与学习记忆的关系 CNA在海马CA1、CA3、齿状回，大脑皮层，小脑，纹状体等区呈优势表达，CNA则仅在海马神经元核内表达且仅在海马外侧靠近白质束区表达。CNA选择性地参与了突触的去增强效应，CNA可能选择性地参与了海马的LTD形成。 CN参与了短期记忆转变为长期记忆的过程。 4.4.3 CN作用的信号途径 Ca进入胞内有两种形式，一是由于突触活

27、动而导致配体-受体反应使磷脂酶C(phospholipaseC，PLC)激活，从而使磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸分解产生IP3，IP3与胞内钙库上的受体结合，并使受体通道开放导致内源性Ca释放；二是由于谷氨酸受体NMDAR和AMPAR以及L型Ca通道激活开放导致Ca内流。两种方式都使胞内Ca浓度升高，从而使CaM与CN结合，激活CN的蛋白磷酸酶活性，将蛋白磷酸酶1(PP1)的调节物抑制物-1(I-1)去磷酸化，使之对PP1的抑制作用消失。 第五节 神经细胞粘附分子与学习记忆 神经细胞粘附分子( neural cell adhesion molecules，NCAMs)，可同时增进突触的可塑性，和

28、维持突触结构的稳定性 。5.1 NCAMs 的结构 NCAMs由一个含有26个外显子的单拷贝基因进行选择性拼接，产生出至少2030个同位体。 按照NCAMs与神经元结合的特性可将这些同位体分为以下三类：1.分泌性NCAMs ；2.着膜性NCAMs，通过锚定蛋白GPI ( glycosyl phosphat idylinositol ) 与膜相连；3.穿膜性NCAMs，穿越细胞膜结构，比如NCAM2140 和NCAM2180。 第七节 逆行信使及其作用机制 信息从突触后到突触前的跨突触逆行传递，如蛋白质、K+、膜磷脂代谢产物(花生四稀酸、血小板活性因子)、气体分子NO和CO等，都可自由通过胞膜到

29、达突触前膜，它们被认为是对突触前递质释放起加强作用的逆行信使。 7.3 NO与学习记忆 大鼠学习记忆过程中，其脑片的NO和NOS神经元出现上调，衰老大鼠NO产生不足，可能参与大鼠空间学习记忆能力的衰退。NO参与学习记忆过程，但并不是所有学习记忆过程均是NO依赖性的。另外，越来越多的证据也表明NO只是参与某些区域LTP的形式，并不是所有部位的LTP均是NO依赖的。 第八节 LTP形成相关的基因 BDNF基因即刻早期基因(IEGs)egr-1基因或Krox24基因 c-fos基因egr-2基因即Krox20基因IAP基因m-fyn基因Arg3.1基因8.1 与LTP形成相关的BDNF基因的表达 能

30、够诱导LTP产生的刺激模式，可以提高海马脑片CA1区的BDNF mRNA水平。在整体动物LTP诱导过程中，在海马齿状回也得到相似的结果；而对于BDNF基因缺失的小鼠，海马LTP被削弱。 海马BDNF mRNA水平，在大鼠抑制回避学习的巩固阶段有明显上升。在齿状回注射BDNF反义寡核苷酸，可以显著降低海马LTP的兴奋性突触后电位(EPSP)的幅度，而且这种反义寡核苷酸可以明显降低齿状回的BDNF mRNA水平。在CA1区的LTP诱导4小时之后，BDNF mRNA明显升高。8.2 与LTP形成相关的即早基因的表达 在原癌基因家族中，有一类可以被第二信使诱导的原癌基因，称为即刻早期基因(IEGs)。

31、神经元兴奋可以诱发IEGs转录。许多IEGs编码转录因子，并且可以作为第三信使来调节核内其他靶基因的表达，从而调整神经元对外界刺激的长时程应答。基因表达的长时程改变，对于记忆的形成，具有关键性作用。早期研究发现LTP和学习过程都能诱导IEGs的瞬时、大量转录，LTP出现后大量递质的释放，引起cAMP的合成和PKA的激活，PKA催化亚基进入细胞核，使CREB蛋白磷酸化，结合于启动子区的CRE使IEGs迅速转录，最后，IEGs蛋白激活相关晚效应基因的转录。8.2.1 与LTP形成相关的zif/268基因的表达 zif/268基因即egr-1基因或Krox24基因。zif/268与LTP的形成密切相关，诱