突觸可塑性—操縱記憶的開關

「選擇性擦除記憶、重新活化記憶」，這似乎聽起來像是科幻片的內容。但幻想與現實的界限將越來越模糊。加州大學聖地亞哥分校的研究人員利用光遺傳學技術（optogenetic）強化或削弱突觸連接的方式，成功在大鼠上移除並重建記憶。

在古典制約的記憶實驗中，當大鼠接受到一個特定聲響的中性的制約刺激（conditioned stimulus）時，給予電擊這樣的強烈非制約刺激（unconditioned stimulus），大鼠就會將特定聲響與電擊產生連結。之後只要播放該聲響，大鼠就會有恐懼反應，由此可以得知大鼠產生了聯結記憶（associative memory）：原本只會受電擊引發的恐懼也可以被特定聲響引發。一直以來科學家都認為這類的聯結記憶是因為大鼠特定的神經細胞彼此突觸連結的長期增強作用（long-term potentiation, LTP）造成的，但突觸連結與記憶的關係一直難以被驗證。

然而這個理論在光遺傳學技術的幫助下得以驗證。研究人員先是在大鼠的腦神經進行基因改造，使之對光敏感，故科學家只需要用光線來控制特定的神經細胞。再同時以電擊及用光學刺激大鼠腦部的杏仁核（amygdala）這個已知的恐懼中樞，就可以讓大鼠對光學刺激與電擊產生聯結記憶。大鼠產生聯結記憶後，不需要經過電擊，只要在光學刺激下就會產生恐懼反應。實驗結果也顯示這些神經出現了長期增強作用，即突觸連結被強化了。

為了釐清長期增強作用與聯結記憶之間的關係，研究人員接着使用低頻率的光刺激大鼠相同的腦神經，誘發長期抑制作用（long-term depression, LTD）來削弱突觸連結。結果這些大鼠對光刺激的恐懼反應消失了，原本的聯結記憶就這樣被消除了。最後研究人員使用高頻率的光刺激重新強化大鼠相關腦神經的長期增強作用，當原先的突觸連結又被強化後，大鼠對光刺激再次產生恐懼反應，說明聯結記憶又被激活了。

這項研究巧妙地運用光遺傳學工具為記憶的形成基礎提供了有力的解釋：記憶的形成與突觸的強化有關，而通過操縱突觸的長期增強作用與長期抑制作用，去除或活化記憶都是可以被操縱的。

 

參考資料：

1. Nabavi, S., Fox, R., Proulx, C. D., Lin, J. Y., Tsien, R. Y., & Malinow, R. (2014). Engineering a memory with LTD and LTP. Nature, 511(7509), 348-352. DOI: 10.1038/nature13294

撰稿｜陳恩浩

修訂｜林映希