第一次去学校、第一次学骑车……我们的大脑似乎有一种魔力，在很多年之后，一些久远的记忆依然得以保留，在脑海中栩栩如生。
记忆，是如何在大脑中形成的？对于这一点，科学家已经有了大量重要的发现。我们的记忆首先形成于海马体，之后通过“中转站”前端丘脑，转变为稳定储存在大脑皮层中的长期记忆。但是，关于记忆形成的细胞基础，依然有尚未破解的的谜题。
在海马体中，记忆的形成需要重复的神经刺激增强突触的连接性。要维持这样的变化、从而形成稳定长期的记忆，则需要转录与翻译过程：DNA转录形成信使RNA（mRNA），后者进一步翻译合成蛋白质。
这时，矛盾之处就出现了。阿尔伯特·爱因斯坦医学院助理教授Sulagna Das说：“形成持久记忆需要很长时间——往往是几个小时，然而这个过程所需的mRNA和蛋白质在不到一个小时内就会降解消失。这怎么可能？”
现在，一项发表于《神经元》杂志的研究破译了这个记忆形成悖论，揭开了记忆形成的关键机制。Das教授与同在阿尔伯特·爱因斯坦医学院的Robert Singer教授为论文的共同通讯作者。
“学习并且储存新的信息，是大脑最显著的特征之一，”Singer教授表示，“我们在小鼠身上取得了惊人的发现，找到了记忆形成的神经基础。”
为了解答这个问题，研究团队选择了活动调控细胞骨架相关（activity-regulated cytoskeletal associated, Arc）基因进行深入研究。Arc基因对于长期记忆的巩固起着关键作用，并且此前的研究发现一些神经退行性疾病与认知衰退也与之相关。
研究团队开发了一种小鼠模型，他们利用荧光蛋白对内源性Arc基因进行了标记。利用这批小鼠模型，研究团队刺激海马体的神经元突触，然后利用他们开发的高分辨率成像技术在单个神经元中实时观测结果。由此，他们可以对Arc基因转录的mRNA分子进行追踪，观测这些分子在神经元中，从合成到运输、再到降解的全过程。
令研究团队意外的结果出现了：仅仅一次脉冲刺激就足以诱导同一个神经元中的转录再激活循环。随后的转录循环需要翻译过程，而新生的Arc蛋白参与一个自调控的正反馈，重新诱导转录过程。这时，Arc mRNA会优先处在先前的Arc蛋白标记的位点，形成翻译的“热点”区域，并巩固树突的Arc中心。
Singer教授说：“我们注意到，由最初的突触刺激产生的一些蛋白质会回到Arc基因这里并重新激活它，启动又一个生成mRNA和蛋白质的循环，然后是更多循环。”
“伴随着每个循环，我们看到越来越多的蛋白质在突触处积累形成'热点’，这就是记忆得到巩固的位置。我们发现了一个先前未知的反馈回路，解释了短寿命的mRNA和蛋白质如何能够创造长期的记忆。”Das教授说。
以背诵一首诗为例，Singer教授解释道：“要想产生持久的记忆，需要你反复阅读这首诗，每一次阅读都可以理解为一种间歇性的刺激，为突触提供了构建记忆所需的蛋白。”
此外，研究团队还发现，Arc基因的错误表达则与人们的记忆障碍相关，并与包括自闭症、阿尔茨海默病在内的神经系统疾病有关。因此，对该基因的进一步研究或将帮助我们找到全新的治疗靶点。
参考资料：
[1] Robert H. Singer et al., Maintenance of a short-lived protein required for long-term memory involves cycles of transcription and local translation, Neuron (2023). DOI: 10.1016/j.neuron.2023.04.005
[2] Researchers at Albert Einstein College of Medicine discover how long-lasting memories form in the brain. Retrieved Apr. 25, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/987246
发布于：上海
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