神经网络中神秘的“漏洞”可能有助于存储长期记忆

芝加哥- 1898年,意大利生物学家Camillo Golgi在他的显微镜下检查了脑组织切片时发现了一些奇怪的东西。 网状格子,现在被称为“perineuronal网”,围绕着许多神经元,但他无法辨别它们的目的。 许多人认为蚊帐是高尔基染色技术的神器; 在下个世纪,他们仍然很晦涩难懂。 今天,在神经科学学会年会上,研究人员提供了诱人的新证据,证明这些网中的漏洞可能存储长期记忆。

科学家们现在知道,神经科学家Sakina Palida是加州大学圣地亚哥分校Roger Tsien实验室的研究生,该研究的共同研究人员称,神经外科网络(PNNS)是连接蛋白和类似于软骨的糖的支架。 虽然目前还不清楚蚊帐究竟做了什么,但越来越多的研究表明,PNNs可能控制突触的形成和功能,神经元之间的微观连接,允许细胞进行交流,并可能在学习和记忆中发挥作用,Palida说。

神经科学中最紧迫的问题之一是记忆-特别是长期记忆-存储在大脑中,因为神经元内的大部分蛋白质都在不断被替换,每隔几天到每几个小时就可以恢复一次。 帕利达说,为了持续一生,一些科学家认为记忆必须以某种方式编码成持久稳定的分子结构。 部分受到证据表明摧毁一些大脑区域的网络可以 ,Palida的顾问Tsien,一位获得诺贝尔奖的化学家,最近开始探索PNN是否可以成为这种结构。 除了证据之外,最近的一些研究将异常PNN与精神分裂症和Costello综合征(一种智力残疾)等脑部疾病联系起来。

在会议上,Palida及其同事吸引了众多新发现,支持PNN确实是学习和长期记忆储存的关键假设。 由于缺乏关于PNN的知识,Tsien的小组首先尝试回答关于他们持续多久的基本问题,以及-确切地说-他们所在的位置。 使用稳定的同位素标记技术可以确定蛋白质是否存在于早期生活中,研究小组证实,啮齿动物的PNN中含有的蛋白质不会经常回收,但可以存活至少180天。 “我们发现[PNNs中含有的蛋白质]非常稳定,可以持续整个动物的一生,”Palida说。 研究人员还发现-使用由Palida开发的一种新的荧光标记技术 - 它们在整个大脑中普遍存在,而不是像以前的研究所暗示的那样局限于少数大脑区域。

接下来,Palida及其同事探讨了PNN如何与突触相互作用。 随着记忆的产生和加强,这些连接器被认为形成并变得更强,随着记忆的消失,它们会变弱甚至消失。 还没有人知道有多少突触-或神经元-涉及任何一个记忆。 在培养皿中培养神经元并使其周围的PNN发育后,Palida用BDNF处理它们,BDNF是一种刺激神经元与其他细胞形成新连接的化学物质。 使用电子显微镜检查纳米级分辨率的神经元,该小组发现,无论何时出现突触,PNN的紧密结构晶格都会形成孔,好像是为了适应新的连接。 Palida说,新的数据表明PNN是“长期维持记忆的理想基质”。 在一项单独的实验中,该小组发现,敲除小鼠缺少通常会降解PNN的酶,在基本的恐惧关联任务上表现不佳:动物未能将震动与哔哔声联系起来。

埃德蒙顿艾伯塔大学的硕士生John Wesley Paylor表示,结果非常适合越来越多的证据表明松散或退化的PNN可增加神经可塑性。

他说:“我们的想法是,如果网络松散,任何突触都可以进入并接触”,而紧密的网络可以防止形成新的突触,保留之前建立的连接。 对这一假设的进一步支持来自于研究表明,PNN的形成与关键时期相关 - 设定了视觉等功能发展的时间窗口。 但鉴于已知许多其他因素会影响记忆的形成,“说这个洞本身就是编码信息有点过分了,”他警告说。

尽管PNN确实似乎限制了可塑性,但它仍然不清楚它们在整个生命过程中会发生多大的变化,温哥华华盛顿州立大学的神经科学家Barbara Sorg指出。 她指出,许多环境因素似乎能够放松或收紧PNNs,例如,可卡因成瘾似乎会引发动物体内PNNs过度表达,这表明形成强烈和持久记忆的潜在机制她说,这是滥用药物的结果。 在会议上,Sorg的小组提出的证据表明,在某些地区销毁PNN可以消除与药物相关的记忆,这表明这一过程可能是可逆的。 不要在短期内寻找PNN溶解疗法,但是,她说:用于打破动物PNN的酶是一种“非常生硬的工具”,并且不知道如果一个人接触到它会发生什么它,她说。

哈佛大学的分子生物学家Takao Hensch说,最终,科学家需要一种方法来观察PNN在活体动物中如何随时间变化,以确定它们在记忆中的真实作用。 接下来,Palida说,Tsien的小组计划用荧光PNN标记创建转基因啮齿动物,并观察网在实验室中如何随时间变化。