神經科學家一直認為，學習和記憶取決於神經元之間連線點（突觸）的加強或減弱，從而增加或減少細胞將資訊傳遞給鄰近細胞的可能性。但最近，一些研究人員開始追求一種完全不同的理論，該理論不涉及改變突觸傳遞的強度；事實上，它甚至不涉及神經元。相反，其他型別的大腦細胞，稱為神經膠質細胞，才是罪魁禍首。
多倫多大學本週在Neuron雜誌上線上發表的一項新研究為這一理論提供了支援。它提供的證據表明，學習環境是否安全這一基本行為（所有動物的共同行為）取決於形成脂肪鞘（稱為髓磷脂，覆蓋神經纖維的電絕緣層）的神經膠質細胞。新理論假設，建立可以在感覺輸入或任務訓練後很久才回憶起來的不可磨滅的記憶，需要神經膠質細胞與睡眠期間產生的特殊腦電波之間的相互作用。“髓磷脂在認知功能中的作用在很大程度上被忽視了，這篇論文優雅地糾正了這個疏忽，”巴黎索邦大學的髓磷脂研究員Bernard Zalc在評論這項新研究時說。
傳統上，研究神經纖維（稱為軸突）上髓磷脂絕緣的研究人員一直關注疾病，例如多發性硬化症，其中脂肪鞘受損。在多發性硬化症中，神經傳遞失敗，導致廣泛的殘疾。髓磷脂就像銅線上的塑膠塗層一樣，被理解為對神經傳遞至關重要，但對於資訊處理和記憶儲存來說是惰性的且無關緊要的。
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這項新研究挑戰了這種觀點，因為他們發現，形成髓磷脂的神經膠質細胞，稱為少突膠質細胞，可以檢測流經它們接觸的軸突的神經衝動。有趣的是，未成熟的少突膠質細胞，稱為少突膠質細胞祖細胞 (OPC)，幾乎遍佈整個大腦，而很少考慮大腦組織內複雜的解剖邊界。OPC 遍佈整個大腦——即使在成年期，似乎也不太需要未成熟的大腦細胞——OPC 是我們大腦中細胞分裂最豐富的細胞。
為什麼會這樣尚不清楚，這些奇特的細胞長期以來一直讓研究人員感到困惑。最近幾個實驗室的研究發現，OPC 可以透過分裂併成熟為形成髓磷脂的少突膠質細胞，並增加髓鞘化軸突的數量來響應神經衝動活動。這個過程可能會對透過神經網路的資訊傳遞產生深遠的影響，因為髓磷脂將神經衝動傳遞速度提高了約 50 倍。
形成記憶
在Neuron研究中，第一作者 Patrick Steadman 和多倫多病童醫院和多倫多大學 Paul Frankland 實驗室的同事測試了學習期間必須形成新髓磷脂的假設。他們透過基因改造小鼠來實現這一點，使得當用藥物他莫昔芬處理時，稱為髓磷脂調節因子 (MRF) 的基因被刪除。該基因對於 OPC 成熟為少突膠質細胞至關重要。敲除 MRF 增加了 OPC 的數量，而新形成的少突膠質細胞的數量減少了。
現在，研究人員可以透過在訓練這些小鼠的同時阻止它們形成新的髓磷脂來測試髓磷脂的形成對於學習是必要的這一假設。他們可以在訓練期間或之後隨時阻止髓磷脂形成，只需給小鼠服用他莫昔芬即可。
然後，他們透過給予一項稱為莫里斯水迷宮的成熟記憶測試來探究髓磷脂是否是學習所必需的，在該測試中，將小鼠放置在一個大水槽中，其中一個隱藏的平臺浸沒在水面以下。小鼠很快學會了平臺的位置，並在經過幾天的訓練後直接遊向平臺。實驗表明，無法形成新髓磷脂的小鼠能夠像對照組小鼠一樣快地學會平臺的位置，但是當在訓練結束後很久測試它們的記憶力時，那些無法形成新髓磷脂的小鼠對位置的記憶不太好，並且必須遊更長的時間才能再次找到平臺。研究人員用電子顯微鏡檢查大腦組織，發現正常小鼠大腦中已知學習莫里斯水迷宮所需的區域中有更多的軸突被髓鞘化。研究人員現在有了證據表明，髓磷脂參與了學習中涉及的長期記憶的形成。但他們仍然需要確定髓磷脂在回憶中的作用。
準時到達
不同型別的資訊必須同時彙集在一起才能回憶起來，例如，你家在哪裡——或者，對於小鼠來說，水迷宮中的平臺。回憶需要整合關於家園的視覺、聲音、氣味、情感的記憶，以及家園記憶引起的感受。這些不同型別的資訊在大腦的不同部位進行處理和儲存，並透過廣泛的網路連線，這些網路必須一起啟用才能交織這些記憶的不同方面，最終在亞細胞水平上導致突觸的加強。這種以網路為中心的神經功能觀點一直被狹隘地關注突觸傳遞的記憶研究人員所忽視。但問題仍然存在，即如何在複雜的神經網路中建立每個突觸中繼點的神經衝動到達時間。睡眠的大腦節律可能提供線索。
研究人員想知道，新髓磷脂是否可能在訓練結束後是必要的，以將快速消退的短期記憶轉化為持久記憶，神經科學家將這一過程稱為記憶鞏固。為了檢驗這個想法，他們像以前一樣訓練小鼠，每天三次，持續六天，然後在訓練結束後給他莫昔芬以抑制髓磷脂的形成。在 28 天后進行測試時，訓練後無法形成新髓磷脂的小鼠在回憶隱藏平臺的位置時表現不佳。如果他們在訓練後等待太久才抑制新髓磷脂的形成——在他們的測試中是 25 天——回憶就不會受到損害，這表明在訓練後存在一個時間視窗，新的體驗會在這個視窗期內鞏固為記憶。結果表明，新髓磷脂是銘刻持久記憶過程的一部分。但研究人員更深入地探究了髓磷脂如何具體地促進記憶鞏固？為了回答這個問題，研究人員將他們的調查轉向了另一種學習情境，即在動物中誘導恐懼記憶。
在睡眠期間形成記憶
在阿富汗吉普車上計程車兵會因路邊炸彈的風險而感到強烈的危險感，但在家鄉街道上乘坐吉普車時會放鬆下來。海馬體是大腦的“GPS”系統，用於確定身體在環境中的位置，但前額葉皮層中處理的更高級別的認知功能是必要的，以提供位置是否與朋友或敵人相關的背景資訊。當創傷經歷後海馬體和前額葉皮層之間的溝通受損時，身體的恐懼反應可能會不適當地被啟用，導致患有 PTSD 的人在家乘坐吉普車時也會遭受同樣的強烈危險感。由於這種型別的記憶需要大腦區域之間的長距離通訊，因此它可以提供關於髓磷脂如何鞏固記憶的見解。
科學家透過將實驗動物放置在一個籠子中來研究這種型別的恐懼學習，在該籠子中，在發出警報聲後，透過金屬地板施加無害但令人震驚的電擊。當在同一個籠子裡再次出現相同的警報聲時，即使沒有足部電擊，動物也會因恐懼而僵住。然而，動物不會對不同環境中相同的聲音做出僵住的反應，因為它與誘發的恐懼無關。海馬體和前額葉皮層之間的溝通提供了引發不同反應的必要背景資訊。紐約大學的 György Buzsáki 的研究發現，海馬體中短暫的高頻振盪（稱為尖波/漣漪複合波的腦電波）透過與皮層神經元同步耦合來傳遞資訊，這些皮層神經元以稱為紡錘波振盪的節律放電。促進這種節律耦合可以改善記憶鞏固。
這些不尋常的節律性神經活動波在非快速眼動（無夢）睡眠期間尤其活躍，學習新任務會增加這種活動。據信，睡眠期間海馬體和前額葉皮層之間的資訊傳遞將地點的記憶與其背景聯絡起來。在我自己的研究中，我們發現髓磷脂對於腦電波的傳遞很重要，這提出了這樣一種可能性，即記憶鞏固中對新髓磷脂的需求可以透過這些不尋常的神經振盪來促進海馬體和前額葉皮層之間的資訊傳遞。
腦電波以許多不同的頻率振盪。大腦的兩個區域同步振盪可能會促進遠處神經元群耦合成功能集合。就像管絃樂隊中小提琴組和法國號角的同步一樣，同步的腦電波可能潛在地將前額葉皮層和海馬體中的神經元耦合在一起，從而使小鼠學會害怕特定位置。髓磷脂可能在調節腦電波傳遞速度方面發揮關鍵作用。如果神經活動波沒有以適當的速率傳遞，一個波與另一個波的破壞性干擾將擾亂大腦中節律資訊的傳遞——就像音樂家演奏不同步會搞砸交響樂作品一樣。
有趣的是，在睡眠和睡眠剝奪期間發現了髓磷脂的變化。Steadman 和同事透過記錄小鼠海馬體和前額葉皮層的神經振盪，測試了睡眠期間髓磷脂的形成是否可能透過增加腦電波活動的耦合來促進學習。他們發現，當透過刪除 MRF 基因來損害新髓磷脂的形成時，腦電波耦合的同步性確實降低了，並且動物在回憶在它們受到電擊的環境中學到的恐懼記憶時表現不佳。
這些研究共同表明，新髓磷脂的形成對於學習是必要的，因為它透過促進海馬體和前額葉皮層之間協調的腦電波活動來鞏固記憶。新髓磷脂似乎也需要用於其他型別的學習——例如，在改善運動協調方面。“當我們思考記憶是如何鞏固的時候，傳統上我們總是想到突觸可塑性。我們的發現表明，一種完全不同的可塑性形式[髓磷脂可塑性]也在鞏固記憶中起著關鍵作用，”Frankland 說。加州大學歐文分校研究記憶如何形成的一位著名研究員 James McGaugh 也同意：“該論文報告了新穎且非常有趣的發現，這些發現……為理解記憶如何形成提出了新的方向。”
關注突觸的加強和減弱對於學習至關重要，但準時到達車站以建立正確的聯絡也很重要，這就是製造髓磷脂以加速透過神經網路傳輸的非神經元細胞在形成新記憶中提供幫助的地方。