文 | 追問nextquestion

2024年7月的一個雨天，蒂姆·布利斯（Tim Bliss）和泰耶·勒莫（Terje L?mo）在奧斯陸郊外勒莫的家中邊用早午餐邊談笑，說到激動處時不時拍桌而起。兩位科學家聚集于此，是為了共同撰寫神經科學家佩爾·安德森（Per Andersen）的生平——這位挪威神經科學家實驗室的燈光，曾在半個世紀前照亮過兩位年輕人探索記憶奧秘的道路。

這對科學伙伴此生只合著過一篇論文，這項在1973年登在《生理學雜志》（Journal of Physiology）上的研究現在被視作學習和記憶研究的轉折點。它首次證明，當一個神經元持續高頻刺激另一個神經元，接收方會形成持續數小時的強化響應，遠超此前所認為的短暫效應。

這一現象后來被叫做長時程增強（long-term potentiation，下文簡稱為LTP），研究者現已知曉，這種機制是大腦學習記憶功能的基礎。科學家們一致認為，LTP在加強神經元（或突觸）連接方面發揮著重要作用，它使大腦能夠根據經驗進行調整。越來越多的證據表明，LTP可能在包括記憶缺陷（memory deficits）*和疼痛障礙（pain disorders）*在內的多種問題中發揮至關重要的作用。

譯者注：記憶缺陷是指個體在記憶功能上出現障礙，可能表現為記憶減退、遺忘、記憶錯誤或記憶扭曲等。疼痛障礙是一種以持續、嚴重的疼痛為主要表現的疾病，其疼痛程度與客觀醫學的檢查結果不符，且常伴隨明顯的社會心理因素的影響。疼痛障礙在《精神疾病診斷手冊》（第五版）中被歸入軀體癥狀障礙（Somatic Symptom Disorders）或疾病焦慮障礙。

布利斯與勒莫在那之后再未合作發表論文。事實上，他們很快都停止了LTP研究——布利斯大約十年沒有從事相關的研究，勒莫則在余生的研究中都未再觸及相關的話題。布利斯說，盡管自知發現了重要現象，但這篇論文最初“并沒有引起轟動”。

20世紀70年代初，神經科學家埃里克·坎德爾（Eric Kandel）證實，突觸化學變化可解釋某些簡單學習行為，這一想法在一種海蛞蝓身上得到了驗證。但科學家們還不知道這些發現是否適用于哺乳動物，也不知道能否解釋更復雜、更持久的學習類型，比如持續數年的記憶形成。

?圖：50多年前，測量兔子海馬體神經細胞活動的實驗首次暗示了大腦記憶的機制。KNOWABLE MAGAZINE

01 記憶的起源

勒莫最初對LTP的發現是無心插柳柳成蔭。當時他正在奧斯陸研究海馬體，先前研究認為該區域是哺乳動物存儲記憶的關鍵。勒莫想知道，重復電脈沖（模仿神經元信號）能否增強海馬體神經元對后續刺激的敏感性。為此，他給活兔子的神經元施加了定時脈沖電流。令他驚訝的是，細胞的反應的確增強了，有時甚至超過幾分鐘。然而，由于研究這些持久的效應需要耗費大量時間，況且此時他還無法從其他任務中脫身，他便終止了相關的研究。

英國學者蒂姆·布利斯的到來改變了一切。這位在麥吉爾大學研究貓腦未獲突破的博士敏銳捕捉到勒莫的發現所蘊含的潛力。經他提議，兩人每周固定安排一天進行系統實驗。

他們使用示波器（oscilloscope）將神經元的電反應顯示為波形，并拍下每一個神經元的反應，這樣他們就能比較受刺激神經元與靜息神經元的反應差異。沖洗后的實驗膠片懸掛在研究所樓梯間自然干燥，這些影片從頂樓一直垂到地下室。之后，他們會坐在燈箱前，用印有毫米大小方格紙測量和比較所拍攝反應的大小。

?圖：首先發現并描述LTP的Tim Bliss（左）和Terje L?mo（右）查看了他們在早期實驗中用于記錄神經元活動的舊膠片。TIM Vernimen

結果清晰無誤，經過幾次短暫高頻刺激后，神經元震蕩波幅增強現象可持續長達10小時，這表明兔子海馬體中的神經元做出了更強烈的反應。這種持久的變化后來被稱為長時程增強。該現象與科學家推測的學習記憶基礎機制高度吻合。

勒莫與布利斯為這一發現感到驚喜，但他們還不準備發表論文，因為他們認為相關的研究還需繼續深入。因此，當他們都轉赴倫敦的不同機構工作后，仍然會每周相聚并展開后續研究。然而，令他們失望的是，他們始終無法再現最初的結果。1971年，勒莫回到奧斯陸并在原來的實驗室再次嘗試，實驗也沒有成功。

經過多年的思考，他們一致認為，在第二次系列實驗中，兔子可能感到了壓力。壓力會增強海馬體某些部分的LTP表達，但會抑制其他部分的LTP，這其中就包括了勒莫和布利斯測量神經元活動的區域。

由于復刻早期成果困難重重，勒莫于是決定轉而研究神經元如何與肌肉進行交互。與此同時，布利斯則通過在清醒兔腦植入電極成功驗證了LTP。在布利斯的合作者托尼·加德納-梅德溫（Tony Gardner-Medwin）的推動下，這兩項研究在1973年相繼發表，布利斯和勒莫的研究成果終于被公之于眾。

02 學習的機制

如麻省理工學院的神經科學家馬克·貝爾（Mark Bear）所言，布利斯和勒莫的發現在早期“并沒有像現在這樣受到廣泛關注”。1979年貝爾加入研究生院時，LTP“還沒有出現在教科書中”。但那時，已有越來越多的研究人員對它產生了濃厚興趣。

到20世紀80年代初，一些技術進步使LTP研究變得更加容易。例如，研究者可以利用離體存活的海馬體切片，通過藥物阻斷或激活突觸中的特定蛋白，探究其對LTP的影響。通過這一方法，研究發現，LTP的發生需要神經細胞外部的兩種專門用于跨膜傳遞信號的蛋白質受體，它們被命名為AMPA和NMDA受體。研究還發現，從發送神經元釋放谷氨酸分子是海馬中許多突觸產生LTP的關鍵步驟。

鎖定這些關鍵分子之后，科學家們開始驗證對LTP進行調控是否會影響實驗動物的學習能力。在20世紀80年代進行的一系列重要實驗中，神經科學家理查德·莫里斯（Richard Morris）發現，給大鼠服用阻斷NMDA受體的藥物會削弱它們學習如何在迷宮中穿行的能力，而未服用這種藥物的大鼠卻能輕松地在迷宮中穿行，且其海馬體突觸會出現類似LTP的改變。

然而，誘導和維持LTP的分子事件序列，以及關鍵改變是發生在發送信號的神經元還是接收信號的細胞中，還有待進一步研究。隨著這一系列新發現，爭議也隨之而來，研究者們各執一詞。貝爾回憶起在一次冬季會議上與LTP研究人員在滑雪纜車上的對話。科學家們“在去山頂的路上一直相互抨擊，因為每個人對LTP的機制都有不同的看法”。

03 海馬體連接

后來的研究證明，對發送神經元與接收神經元的研究都頗有成效。LTP始于接收神經元，但在大多數情況下，發送神經元也會很快就隨之發生變化。撇開例外情況不談，變化通常發生在突觸上，突觸會隨著反復使用而得到加強，這一點在海馬體中一個被深入研究的名為CA1（Cormus Ammonis 1）*的區域中得到驗證。

譯者注：CA1是海馬體結構中的一個關鍵子區域，位于阿蒙角的末端，屬于海馬回的重要組成部分，該區域參與了空間記憶的形成和檢索。

首先，發送神經元向突觸間隙釋放谷氨酸。接著，谷氨酸分子與接收神經元表面的AMPA受體結合。結合使得AMPA受體改變形狀，打開細胞膜上的通道，并讓鈉離子流入細胞。

鈉離子的流入降低了神經元膜電位差，這使得細胞內負電性減弱，這一過程被稱為去極化（depolarization）*。此時，LTP尚未發生。然而，如果谷氨酸釋放與AMPA受體激活特定時間窗口內足夠頻繁（實驗中常用每秒100次刺激誘發LTP），那么由此產生的去極化就會導致接收細胞表面的NMDA受體打開通道。

鈣離子隨之流入，觸發級聯反應使接收神經元表面AMPA受體數量增加。與此同時，發送神經元近膜區儲存的谷氨酸量激增，使其釋放更多的谷氨酸與接收神經元上增加的AMPA受體結合，導致發送神經元和接收神經元之間的連接增強，這種連接可以持續數小時、數天甚至數月。這就是科學家們定義的LTP。

譯者注：去極化是指細胞膜電位從靜息狀態（通常為-70mV左右）向正值方向變化的過程，即膜內外電位差減小（如從-70mV變為-50mV）。它是神經元和肌肉細胞產生動作電位（action potential）的關鍵步驟。

?組圖：LTP過程（向左滑動）。

1/4. 通過一個神經元（發送神經元）的電信號會在與第二個神經元（接收神經元）的連接處或突觸處釋放化學谷氨酸。

2/4. 谷氨酸分子粘附在接收神經元表面稱為AMPA受體的蛋白質上。這打開了AMPA受體內部的通道，允許帶正電的鈉離子流入細胞。鈉離子的流入降低了膜兩側的電荷差（即，它使膜去極化）。

3/4. 隨著接收神經元帶更多正電荷，第二種蛋白質——NMDA受體——打開，允許正鈣離子流入。去極化增加。在某個閾值時，接收神經元會發出自己的電信號。

4/4. 如果這些事件頻繁發生，接收細胞會通過增加其表面的AMPA受體來做出反應，使其對谷氨酸更敏感。發送細胞也會增加它釋放的谷氨酸量。這些變化共同強化了接收神經。

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04 突觸學習

盡管LTP在學習記憶中的具體作用仍是未解之謎，然而，布利斯和勒莫在1973年的研究仍然為揭示突觸強化機制打開了全新維度。

在布利斯和勒莫于20世紀70年代揭示了他們的發現后不久，該領域的先驅，科羅拉多大學已故神經科學家伊娃·菲夫科娃（Eva Fifková），率先采用電子顯微鏡研究LTP，這種顯微鏡使用電子束來生成高度放大的物體圖像。德克薩斯大學奧斯汀分校神經科學家克里斯汀·哈里斯（Kristen Harris）解釋說：“菲夫科娃會在誘導LTP后迅速冷凍腦組織，然后將其切片、拍照并打印在紙上”。

菲夫科娃對生長在神經元表面微小樹狀突起上的棘刺很感興趣，這些棘刺使神經元能夠接收來自其他細胞的信號。這些所謂的樹突棘（dendritic spines）形狀各異，有的像蘑菇，有的像荊棘，負責在神經元之間建立新的連接。

菲夫科娃從照片上剪下棘刺，然后稱量紙片的重量，這樣就能比較參與LTP的棘刺和不參與 LTP的棘刺的大小。她發現，LTP使棘刺明顯增大。這引出了下一個問題，為什么會產生這樣的結果？這一疑問貫穿了哈里斯的整個職業生涯。從那時起，她就一直致力于對這一問題的解答。

通過對樹突棘進行數字三維重建，哈里斯和她的同事們證實LTP確實會導致樹突棘發生物理性膨大。這種生長非常重要，因為它為細胞內維持LTP所需的復雜生化機制創造了空間。神經突觸通常位于距離神經元中央部位數百微米的地方，細胞的大部分蛋白質都是在那里制造的。要維持LTP，就需要在本地建立“工廠”，以生產AMPA受體等維持LTP所需的蛋白質。哈里斯解釋說，生產并組裝突觸生長強化所需分子耗時較長，這或許可以解釋為什么間隔性重復學習效果最佳。“每次重復意味著連接增強”。

哈里斯等人試圖了解LTP的精確分子機制時，其他研究人員則繼續探索其與動物學習記憶的關聯。例如，貝爾和他在麻省理工學院的團隊率先證明，LTP參與了小鼠恐懼記憶的形成。在2006年的一項實驗中，他們訓練小鼠躲避曾遭受足部電擊的黑暗區域，同時用電極記錄海馬體神經元的反應。"果然檢測到LTP，"貝爾表示：學習后小鼠神經元活動與海馬切片中的LTP現象高度相似。

05 對疼痛的學習

了解LTP如何參與到恐懼和痛苦記憶的形成，或許可以揭示焦慮障礙和慢性疼痛的原因，并為找到更好的治療方法指明方向。疼痛作為身體受到傷害的信號，對動物的生存至關重要。多倫多病童醫院的神經科學家邁克爾·薩爾特（Michael Salter）指出：“這是一個重要的學習過程，當我們把手放在爐子上，我們會想：‘噢，我再也不會這樣做了’”。

過去幾十年間，研究人員發現LTP并不局限于海馬體，它也會發生在大腦的其他部位，如處理恐懼的杏仁核和負責知覺和推理的大腦皮層。此外，盡管具體作用機制存在差異，但LTP也可能發生在包括脊髓在內的神經系統的不同部位。“許多研究疼痛的人認為，特定腦區甚至脊髓的LTP可能與慢性疼痛相關，”薩爾特補充道，“盡管這不是教科書上標準的LTP，但在脊髓中，確實存在NMDA受體介導的電位增強。”

據科學家研究所知，中樞神經系統大多數突觸中均可發生某種形式的LTP。薩爾特認為，某些慢性疼痛病例可能源于痛覺傳遞神經元的LTP，這類疼痛已經不再發揮其原有的保護功能。科學家正在尋找一種既能消除慢性疼痛，又不會麻痹我們為保持安全所需的保護性疼痛的方法。但由于NMDA受體在協調全身神經元活動中的廣泛作用，干預手段研發困難重重。例如，麻醉劑氯胺酮可以阻斷NMDA受體，但會產生嚴重的副作用。研究者寄望于通過靶向NMDA受體不同亞基開發更精準療法。

其他科學家正在思考如何利用我們對LTP的理解來恢復或保存癡呆癥患者的記憶、緩解焦慮甚至提高我們所有人的學習能力。然而，勒莫指出，由于LTP在眾多生理過程中發揮著核心作用，因此治療方法需要經過仔細的測試，細節決定成敗。“真正特異性的治療方案可能仍需漫長等待。”

薩爾特指出，要解決令人頭疼的癡呆癥患者的失憶問題，需要更好地理解我們賴以生存的記憶類型，以及LTP如何參與其形成。“編碼這類記憶的LTP究竟發生在哪些具體突觸？目前尚無答案，但這是值得追求的目標。”

布利斯對此表示贊同。“大量證據表明，LTP是記憶存儲的生理學核心。但是，揭秘其中的細節是一項仍在進程中的偉大工程”。

編者按：本文已修正對布利斯與勒莫早期LTP實驗的描述。研究表明，兔神經元活動需多次短暫高頻刺激（而非單次）方可維持數小時增強。