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在斩首和化蛹为蝶中被移植的记忆

来源:澎湃新闻 2020-02-14 13:54   http://www.yybnet.net/

如果一条无头蠕虫可以重生记忆,那么记忆是储存在何处?如果记忆可以再生,你会转移记忆吗?? Rattiya Thongdumhyu / Shutterstock

利维坦按:

上世纪20年代美国心理学家卡尔·拉什利(Karl Lashley)针对大鼠的记忆实验表明,记忆并不是存储在大脑皮层的特定部位,而是分布于整个大脑中。这之后,神经外科医生怀尔德·彭菲尔德(Wilder Penfield)在对癫痫患者的手术中发现,颞叶对于记忆的存储至关重要。当给予一定的电刺激或者化学刺激时,两个神经细胞之间的突触传递会增强,有时甚至会出现新的突触。也许增强的突触或形成的新突触,可能就是保存了新记忆。

当然,如果真像本文中格兰兹曼假设的那样,神经突触的细胞核或许将成为超人类主义者以及科幻作家的大爱:毕竟,即便未来实现了肉身复制,可之前称为“我”的人格主体/长期记忆怎么移植到新的肉身上,仍是一个很大的谜团。

有关记忆的研究一直是前沿科学课题中令人陌生的偏远分支。

上世纪50年代,密歇根大学一位不知名的心理学教授凭借着一系列在一种名叫涡虫(planaria)的淡水扁形虫身上所作的实验占据了新闻头条,并最终名声大振,他名叫詹姆斯·麦康奈尔(James McConnell)。

按照麦康奈尔所述,这些虫子吸引他,不仅因为它们“拥有真正突触型的神经系统”,还因为它们有“强大的再生能力……在最佳条件下,单个虫体最多可以被切成50块,”每一块都能再生成“一个完整的、功能齐全的生物体”。

? Tufts University

在他的早期实验中,麦康奈尔通过伴有闪光的电击方式训练这些“巴普洛夫的蠕虫”,最终他发现这些蠕虫只会对光感到畏惧。在他把这些虫子切成两半后,有趣的事情发生了。蠕虫有头部的那一半长出了尾巴,而且保留了有关先前训练的记忆,这是很好理解的。但令人惊讶的是,保有尾巴的那一半长出了头和大脑之后也保留了训练的记忆。

麦康奈尔很好奇,如果一条无头的蠕虫可以再生记忆,那么记忆到底储存在哪里。并且,如果记忆可以再生,他能转移记忆吗?

或许的确是这样的。上世纪60年代,瑞典神经生物学家霍尔格·海丁(Holger Hydén)指出,记忆储存在神经元细胞中,更具体来说,是在核糖核酸(RNA)中。RNA作为信使分子,携带来自脱氧核糖核酸(DNA)的指令,与核糖体结合形成蛋白质,构建生命的基础。

麦康奈尔对海丁的研究产生了兴趣,他通过将受过训练的涡虫部分移植到未经训练的涡虫身上,来测试某种被他称为“记忆RNA”的分子。他的目标是将RNA从一条涡虫移植到另一条身上,但由于很难将要移植的部分植入涡虫身体,他转而选择一种“更令人惊讶的组织移植,那就是“同类相食性摄入””。恰好涡虫是会同类相食的生物,所以麦康奈尔只需要搅拌受过训练的涡虫,并喂给没有训练的同类吃。(涡虫缺乏能完全分解食物的酸和酶,因此麦康奈尔希望食用同类的蠕虫可以融合某些RNA。)

令人惊讶的是,麦康奈尔宣称,受过训练的涡虫被吃掉后使未受训练的涡虫也学会了畏光。在其他实验中,他还训练涡虫穿过迷宫。为了在两只涡虫之间转移记忆,麦康奈尔甚至发明了一种技术,用于提取受过训练的涡虫身上的DNA,并将其植入未受训练的涡虫中。

(blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2018/10/08/the-cannibalistic-worm-controversy/)

? Tal Shomrat/Michael Levin

在于1988年退休后,麦康奈尔逐渐离开了公众视野,他的研究作为一个有趣但只是建议性的案例被归入到教科书的侧边栏中。许多科学家仅凭无法训练涡虫一类的无脊椎动物这一点,就轻易否定了麦康奈尔的研究。麦康奈尔也将他的一些研究和科幻笑话及漫画一起,发表在他自己的刊物《奔跑的蠕虫文摘》(The Worm Runner”s Digest)上,所以,并没有多少人有兴趣试图复制他的发现。

? Alembic Rare Books

然而,麦康奈尔的研究最近开始了某种复兴,一些富有创新精神的科学家继续了他的工作,其中一位名叫迈克尔·莱文(Michael Levin),他是是塔夫茨大学一位专攻肢体再生的生物学家。他以更现代化和自动化的方式重复了麦康奈尔训练涡虫穿越迷宫的实验。

迈克尔·莱文已经创造了很多奇特的生物,比如这只拥有三只眼的青蛙(第三只眼靠近背部以及左后肢处)。这只青蛙出生于2011年8月,到2014年5月仍然生活正常。这项研究的重点是动物细胞在胚胎发育以及细胞和组织再生过程中交互的方式。? Daily Mail

涡虫本身就很受欢迎。在莱文剪掉蠕虫的尾巴,通过切口发射生物电流,促使蠕虫在尾巴的位置长出了另一个头(这为莱文赢得了“年轻版弗兰肯斯坦”的可爱绰号)之后,涡虫本身也前所未有地受到欢迎。他还曾经把15只蠕虫送入太空,有一只回来后神奇地拥有了两个头(“显然”,莱文和他的同事写道,“在淡水中将双头蠕虫截断,双头表征会再次出现。”)。

(jeb.biologists.org/content/216/20/3799)

通过切口发射生物电流,使得涡虫拥有了两个头(中)和两个尾(下)的形态。? Mike Levin

近期,加州大学洛杉矶分校的神经生物学家大卫·格兰兹曼(David Glanzman)另一个很有前景的研究项目使人们联想起麦康奈尔的记忆实验——尽管格兰兹曼的实验室主要研究的是海蛞蝓,而不是涡虫。这种软体动物是神经科学中的宠儿,因为它的神经系统相对简单。(海蛞蝓,又被称为“海兔”,是海洋中一种动作迟缓的动物,其体型庞大,可分泌墨汁,用波状有褶翅膀会游泳。)

2015年,格兰兹曼正在检验教科书中认为记忆存储在突触中的理论,突触是神经元之间起连接作用的接点。他的团队试图在海蛞蝓身上创造和抹去记忆,通过定期进行温和的电击来训练这种软体动物,延长其一种反射。即一旦海蛞蝓被电击,就会收起虹吸管,那是鳃和尾巴之间的一条小呼吸管。

他的实验室发现,训练后海蛞蝓的触觉感觉神经元和触发虹吸管撤退反射的运动神经元之间长出了新的突触。这些神经元之间的连接性在训练后增强,似乎证实了记忆储存在突触连接中的理论。

格兰兹曼的团队又试图通过破坏神经元之间的突触连接来消除训练的记忆,海蛞蝓随后果然表现得就像失去了记忆,进一步证实了突触记忆理论。在格兰兹曼的团队对海蛞蝓实施“提醒性”电击后,研究人员惊讶地发现,神经元之间生长出不同的、更新的突触连接。海蛞蝓随后重新表现得好像它们记起了之前似乎已经忘记的训练。

格兰兹曼认为,如果记忆在如此重大的突触变化中一直存在,而通过训练出现的突触连接消失、变得面目全非,并由完全不同的新连接取而代之,那么记忆可能并没有真正存储在突触中。

(www.eneuro.org/content/5/3/ENEURO.0038-18.2018)

这个实验看起来表达了电影《美丽心灵的永恒阳光》(Eternal Sunshine of the Spotless Mind)中的某些东西,在这部电影中,分手后试图忘记对方的情侣通过一种不恰当的方式删除了关于对方的记忆,但并没有删除到无法回忆的地步。这对情侣都将在蒙托克见面的计划隐藏在内心深处。在某种程度上,这部电影暗示着记忆永远不会完全丢失,记忆总是有可能回来,即使是似乎被遗忘了很久的人和地方。

最终,尽管《美丽心灵的永恒阳光》对记忆科学进行了异想天开的夸张描述,但影片本身可能无意中提出了一个正确的假设。? Focus Features / Universal / Rosenfeld Media / Flickr

但是,如果记忆没有存储在突触连接中,它们到底存储在哪里呢?格兰兹曼提出了一个并不受欢迎的假设是:它们可能驻留在神经细胞的细胞核中,DNA和RNA序列在那里形成生命过程的指令。

DNA序列是固定不变的,因此有机体的适应性大部分来自灵活的表观遗传机制,即对环境信号或压力做出反应,调节基因表达的过程,这一过程有时还会涉及RNA。如果DNA是印刷乐谱,RNA诱导的表观遗传机制就像可能包含了学习和记忆的即兴删减和改编。

也许记忆驻留在由RNA诱导的表观遗传变化中,这种即兴的分子可以确保有机体基于蛋白质的适应结果。格兰兹曼的团队将目光转回海蛞蝓,用两天多的时间来训练它们延长虹吸管撤退反射。然后,他们解剖海蛞蝓的神经系统,提取与形成训练记忆有关的RNA,并将其注射到未经训练的海蛞蝓中,一天后测试其学习结果。

格兰兹曼的研究小组发现,来自受训海蛞蝓的RNA可以诱发学习,而未受训海蛞蝓的RNA没有任何效果。仿佛有些含糊但又很真切地,格兰兹曼的团队已经将记忆从一只动物转移到另一只身上,并且他们有强有力的证据证明RNA是记忆传递的中介。

现在,格兰兹曼认为,突触是激活记忆所必需的,但记忆需要在神经元的细胞核中通过表观遗传变化进行编码。“这就像一个没有手的钢琴家,”格兰兹曼说,“他可能知道如何演奏肖邦,但他需要双手来锻炼记忆力。”

塔夫茨大学艾伦研究中心的科学家道格拉斯·布莱克斯顿(Douglas Blackiston)研究过昆虫的记忆,他的研究也描绘了类似的结果。他想知道一只蝴蝶是否能记住毛毛虫时期一些生活,所以他将毛毛虫暴露在乙酸乙酯的气味中,随后对其进行温和的电击。在对乙酸乙酯产生厌恶之后,毛毛虫化蛹,几周后变成成年蝴蝶,然后再测试它们对厌恶训练的记忆。

令人惊讶的是,成年蝴蝶居然还记得——但它们是如何记住的呢?整个毛毛虫在蜕变成蝴蝶之前会以细胞质汁形式存在。“重塑的过程是毁灭性的,”布莱克斯顿说,“毕竟,毛毛虫是从爬行动物转向飞行动物。不只是身体,整个大脑都要重新布线。”

(journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0001736)

? Imgur

我们很难准确研究毛毛虫体内化蛹过程中到底发生了什么,但毛毛虫的一组神经元可能会保留在所谓的“蘑菇体”(译者注:“蘑菇体”又叫蕈形体,是昆虫前脑的主要部分)中,这是一对与嗅觉有关的结构,存在于许多昆虫的触角附近。换句话说,一些结构仍然保留了下来。“这不是细胞汤汁,”布莱克斯顿说,“好吧,也许是汤汁,但很稳定。”

在化蛹期间,毛毛虫的神经元几乎被彻底精简,剩下的少数神经元与其他神经元断开连接,在此期间它们之间的突触连接被溶解,直到重塑蝴蝶大脑时,留下的神经元才会与其他神经元重新连接。

和格兰兹曼一样,布莱克斯顿也用了一个手的比喻:“这就像是一小群神经元手牵着手,随后它们松开手四处流动,最终与新大脑中的不同神经元重新连接。”如果记忆存储在某个地方,布莱克斯顿怀疑它存储在蘑菇体中的某组神经元中,蘑菇体是从毛毛虫到蝴蝶的过程中唯一已知的留存结构。

最终,尽管《美丽心灵的永恒阳光》对记忆科学进行了异想天开的夸张描述,但影片本身可能无意中提出了一个正确的假设。格兰兹曼和布莱克斯顿相信,他们的实验不仅为阿尔茨海默氏症患者带来了希望,而且还有可能修复退化的神经元,这些神经元至少在理论上可以在适当的RNA的指导下找回丢失的记忆。

文/Marco Altamirano

译/火龙果

校对/Carlyle

原文/nautil.us/blog/memories-can-be-injected-and-survive-amputation-and-metamorphosis

本文基于创作共同协议(BY-NC),由火龙果在利维坦发布

文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场原标题:《在斩首和化蛹为蝶中被移植的记忆》

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