突觸可塑性：陳述性記憶形成的細胞機制

前言

你是否記得昨天吃了什麼？去過哪些地方？見了哪些人？做了哪些事情？

當你「開動」你的大腦開始有意識回憶的時候，你可知道這些場景記憶藏在了大腦里的哪個角落？今天我們就來談談這個話題。

我們說的記憶是對所獲取信息編碼、鞏固和讀取的神經過程，主要可以分為兩種不同類型，分別在不同腦區形成：一類是陳述性記憶，主要是對事件、人物等有意識回憶，相對容易記住和忘記，主要產生於內側顳葉和海馬；另一類是非陳述性記憶，主要是對抽象、感知、動作和習慣等無意識操作，形成於新皮層、小腦和新紋狀體等其他腦區。

之前，舉例說的有意識的場景回憶，即屬於陳述性記憶。那麼，這些陳述性記憶的形成機制是怎麼樣的呢？目前科學界認為，它們主要產生於內側顳葉和海馬，其形成基礎與突觸傳遞效率的改變有關。為什麼這麼說呢？那麼我們得從記憶產生前的信號傳遞過程說起。

神經系統的信號傳遞

神經組織中主要有2類細胞：神經元和膠質細胞。神經元是接受外界信號刺激和執行信號傳遞的主要功能單元；膠質細胞更多的起支持作用，類似「清道夫」和「醫生」的角色。

我們的大腦無時無刻不在接受和處理外界的信息。這些信息在神經細胞間的突觸部位，以電信號形式進行傳遞。神經系統中的信息傳遞就好似踢球，每個神經細胞都是一個運動員，足球（信號）在運動員（神經元）的腳（突觸）間傳遞。而神經元的投射方向很多時候不是單一的，就像在球場上運動員腳下的球可能傳給球員A，也可能傳給球員B。

並且在中樞系統中，突觸的傳遞效能不是不變的，會隨著突觸活動模式的改變而改變，稱之為「突觸可塑性」。「可塑」可以簡單理解為可以變化，具有不確定性，就像是同一運動員在不同比賽強度或其他情況下可能發揮出來的能力也會存在差異一樣，運動場上稱之為「臨場發揮」。

陳述性記憶形成的細胞機制

突觸傳遞效能具有可塑性

1973年，Bliss在內嗅皮層至海馬齒狀回這一通路上給予高頻電刺激，記錄到局部場電位強度（fEPSP slope）增加，時間可維持數小時至數天不等，這種現象被稱為長時程增強（LTP）（如圖1）[1]。

圖1.電生理記錄LTD/LTP現象.(A)給予100Hz的高頻刺激(HFS)能夠誘發出LTP.(B)給予重複的低 頻刺激（LFS）能夠誘發出LTD.

所謂的長時程效應，即突觸部分的重複活動引起突觸效能數小時甚至數天的改變。按照突觸傳遞效能變化的增強或減弱可以分為兩類：（1）長時程增強（LTP）：高頻刺激通路引起興奮性突觸電位幅度增加，可以持續數小時甚至數天；（2）長時程抑制（LTD）：低頻刺激通路引起興奮性突觸電位幅度減弱。

這樣看來，至少在人為干涉的情況下，神經元的突觸傳遞效率是可以改變的。換言之，名叫「神經元」的這位球員的臨場發揮能力還是有潛力可發掘的。

長時程效應與突觸可塑性

在長時程增強（LTP）現象的背後存在著很多的分子與形態學變化，如AMPA受體磷酸化、谷氨酸釋放增多和樹突棘結構增加等。與LTP相反的是LTD，其表徵為谷氨酸釋放降低和樹突棘結構減少（如圖2）[2-3]。

圖2. LTP/LTD誘使神經元樹突棘數量變化.

註：dendritic spines中文譯為「樹突棘」，是神經元樹突表面的棘狀突起，也是神經元間形成突觸的部位。

同時，產生LTP和LTD的機制在不同腦區存在較大差異，但唯一不變的特徵是LTD和LTP的產生一樣都取決於突觸後鈣離子的積聚。當外界重複刺激引起神經元及突觸部分結構性的變化，進而影響突觸傳遞效率改變。這種認知活動發生時改變神經元或者突觸功能或結構的修飾過程就叫做可塑性。

總之，可以理解為：人為誘導的長時程效應引起突觸結構和功能上的修飾，即是突觸可塑性。

突觸可塑性與記憶形成

之前談到實驗過程中的長時程效應多是人為誘導產生，那麼為什麼科學界會認為以LTP/LTD作為表徵的突觸可塑性與記憶的形成有關呢？

上世紀90年科學家，在CamKII和NMDAR 敲除的小鼠身上發現CA1區無法誘導產生LTP，而這類老鼠水迷宮行為學的觀察發現其空間記憶能力下降：其表現就是相對於野生型實驗組尋找隱藏平台的時間增加[4]。

註：CamKII是一種蛋白激酶，主導Ca2+敏感的信號通路。NMDAR是一種興奮性遞質受體。根據實驗，可以簡單理解為CamKII和NMDAR各自都是形成LTP這個路徑上串聯著的小開關。

圖3.水迷宮實驗裝置

這個實驗提示性的結論就是：海馬區的長時程增強效應很可能和陳述性記憶相關。

小 結

記憶形成與消退，在細胞機制層面很可能與突觸傳遞效率變化有關。人為誘發的長時程效應（長時程增強：LTP / 長時程抑制：LTD），形成的突觸結構和功能修飾，可以引起突觸傳遞效率的變化。

陳述性記憶主要發生海馬和顳葉皮層，就單個神經元而言，變化部位主要在突觸。LTP涉及受體入膜，數目增加及敏感性增加。LTD涉及受體數目及敏感性的降低。也許在原本等勢的較量中，正是那些「打了雞血「」的球員們（誘導產生LTP），在場上的臨場發揮水平（可塑性）變化，能力超出預計，帶領球隊收穫了比賽的勝利（形成記憶）。

參考文獻

[1] Bortolotto, Z. A., et al. (2001). "Synaptic plasticity in the hippocampal slice preparation." Curr Protoc Neurosci Chapter 6: Unit 6 -13.

[2] Malenka RC, Bear MF (2004) LTP and LTD: an embarrassment of riches. Neuron 44(1):5–21.

[3] Raymond, C. R. (2007). "LTP forms 1, 2 and 3: different mechanisms for the "long" in long-term potentiation." Trends In Neurosciences 30(4): 167-175.

[4]楊雄里.神經生物學——從神經元到腦（第五版）.科學出版社. (2014)

文章最後要感謝 Landowph、具身思考、yue li、東華君等前輩、同伴們的指導和幫助

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