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长期学习需要新的神经绝缘

长期学习需要新的神经绝缘

大多数记忆会在几天或几周内消失,而有些记忆会持续数月、数年甚至一生。是什么让某些经历在我们的神经回路中留下如此长久的印记?这是神经生物学中一个古老的问题,至今仍未解决,但新的证据指向了一个令人惊讶的新答案。

2020年2月10日发表的一项研究,在自然神经科学,旧金山加州大学的科学家们发现,老鼠快速学习一个可怕的响应情况视为威胁,但对于这样一个条件反应成为持久的脑细胞需要增加大量的一个名为髓磷脂的绝缘材料,这可能有助于加强和稳定新形成的神经连接。

据加州大学旧金山分校的研究人员称,对髓磷脂在学习中的作用的持续研究,可能有一天会带来治疗创伤后应激障碍(PTSD)等疾病的新疗法。

“我们发现一个简短fear-learning经验可以导致髓鞘形成的长期变化和相关的神经生理学变化能被探测到的大脑内甚至一个月后,”研究作者说阿巴斯Kheirbek,博士,美国精神病学助理教授和加州大学旧金山分校神经科学研究所威尔的一员。

他说:“研究新的髓磷脂形成在适应性和非适应性学习中的作用,对于理解学习和记忆的基本机制,以及确定情绪和焦虑障碍治疗的新靶点,都是一个重要的机会。”

Kheirbek,加州大学旧金山分校的研究集中在产生情绪和焦虑性行为的神经回路,共同监督研究乔纳Chan博士威尔学院成员和黛比和安迪Rachleff杰出的神经学教授,他的研究重点是大脑如何产生髓磷脂和为什么它衰变在多发性硬化症(MS)。

越来越多的证据表明髓磷脂在学习中起作用

髓磷脂是由一种叫做少突胶质细胞的脑细胞在早期发育过程中形成的。这就形成了一个由蛋白质和脂肪组成的厚厚的护套,它就像电线的绝缘体一样,加强并加速连接一个神经元和另一个神经元的神经通路中的电信号传导。

这种绝缘对大脑最繁忙的信息高速公路尤其重要,比如可以延伸三英尺或更多的高速神经纤维,让你的大脑几乎立即控制你身体的肌肉。髓磷脂受损并伴随肌肉失去控制是多发性硬化症的特征,但相对而言,很少有人注意到髓磷脂在健康成人大脑中也可能发生动态变化。

然而,在过去的几年里,科学家们在长期学习中发现了大脑中新的髓鞘形成,特别是在运动学习(例如,老鼠学习在复杂的轮子上奔跑)和空间学习(老鼠学习在迷宫中找到回到特定位置的路)中。

几十年来,科学家们已经知道,学习最初取决于大脑通过形成神经元之间的新连接来重新连接自身的能力。这些新的研究提供了越来越多的证据,表明髓磷脂增强和维持这些新连接的能力可能决定了某些记忆的持久性。

长期学习需要新的神经绝缘

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强健的髓磷脂可以稳定持久的记忆

这项新研究将这些发现又向前推进了一步,表明髓磷脂的变化不仅在动物的身体运动中起着关键作用,而且在形成长期的情感记忆方面也起着重要作用。

当老鼠在一个有各种情境线索的条件反射室中接受轻微电击时,它们很快就学会了将电击与特定的情境联系起来:当它们后来回到同一个房间时,即使没有电击,它们也会冻结。这被解释为记忆中的恐惧的行为表现。

在他们的新研究中,加州大学旧金山分校的研究人员确定,以这种方式获得足部电击记忆的同时,内侧前额叶皮层的髓磷脂形成也会增加,而这一大脑区域对形成长期记忆非常重要。

为了测试这种新的髓磷脂是否需要动物学习,研究人员在老鼠身上重复了这个实验,通过基因工程使老鼠不能形成新的髓磷脂。这些老鼠最初在条件设置室中被冻住,但与正常老鼠不同的是,它们的恐惧在大约一个月后似乎消失了。研究人员得出的结论是,新的髓磷脂的形成并不需要最初的学习,而是在巩固和维持长期的恐惧记忆方面起着特殊的作用。

由于髓磷脂的作用是提高信号沿轴突传递的速度和效率,髓鞘形成的变化可能会影响神经网络中重要的电信号模式。在他们的新研究中,研究人员发现,失去形成新髓磷脂的能力会导致小鼠前额叶皮层神经元活动的长期变化。

西蒙·潘,加州大学旧金山分校医学博士研究生。项目和新自然神经科学研究的第一作者,概念化并发起了Chan和Kheirbek实验室之间的跨学科项目。

潘说:“这项研究对我们理解大脑如何对学习经历做出反应是一个重大的进步。”“髓磷脂的一个重要特性是它的稳定性,这使得它能够支持人类、老鼠和其他动物的持久,甚至是终生的记忆。”

了解髓磷脂的可塑性有助于PTSD的治疗

在一项实验中,加州大学旧金山分校的研究人员发现,先用抗组胺药富马酸克莱马汀(clemastine fumarate)治疗的小鼠,表现出对条件性恐惧记忆异常强烈的长期记忆。富马酸克莱马汀是一种潜在的多发性硬化症疗法,2014年,陈博士发现它的作用是增加髓磷脂的分泌。

该研究的共同作者指出,患有创伤后应激障碍(PTSD)的退伍军人的磁共振成像(MRI)显示,他们大脑海马体中的髓磷脂含量增加了,而海马体是与巩固经验相关的区域,将他们从短期记忆转移到长期记忆。

Kheirbek说:“这增加了在创伤后应激障碍的病理生理学中可能涉及异常髓鞘形成的可能性。”“在创伤后应激障碍患者中观察到的强烈的恐惧反应可能与克莱马汀治疗的小鼠在髓鞘形成增加时所表现出的恐惧反应的增加相类似。”髓磷脂的可塑性可能有利于熟练的学习,如弹钢琴或记住位置,但如果它导致对日常情况的持续的、过度的恐惧反应,则是有害的。”

陈教授补充说:“我们现在发现,在正常的成人大脑中,少突胶质细胞的生成和髓鞘形成的过程是非常动态的。这是一种对经验作出反应的可塑性形式,并导致持久的变化。这是一个非常新的概念,我们还处于探索的早期阶段。”

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