在電影驚悚片《記憶碎片》中，主人公倫納德能夠記住妻子遇襲當晚頭部受傷之前發生的一切，但他遇到的任何人或自那天晚上以來所做的任何事情都會簡單地消失。他失去了將短期記憶轉化為長期記憶的能力。倫納德決心找到殺害他妻子的兇手併為她報仇，但永久地被困在現在，他不得不求助於將他的調查線索紋在全身。
這個令人不安的故事靈感來源於醫學文獻中僅被稱為“HM”的真實病例。HM九歲時，一次腳踏車事故中的頭部受傷使他患上了嚴重的癲癇。為了緩解其他任何方法都無法控制的癲癇發作，外科醫生切除了HM的海馬體和鄰近的大腦區域。手術成功地減少了癲癇發作，但不慎切斷了短期記憶和長期記憶之間神秘的聯絡。註定要進入被稱為陳述性記憶的資訊——人物、地點、事件——必須先經過海馬體，然後才能記錄在大腦皮層中。因此，HM大腦中早已儲存的久遠記憶仍然清晰，但他現在的所有經歷很快就消失得無影無蹤。HM每月都會去看醫生，但在每次就診時，就好像兩人從未見過面一樣。
這種從當下的精神體驗到持久記憶的轉變長期以來一直令神經科學家著迷。當你第一次被介紹時，一個人的名字會被儲存在短期記憶中，並可能在幾分鐘內消失。但有些資訊，比如你最好的朋友的名字，會被轉化為長期記憶，並可以持續一生。大腦儲存某些時刻而讓另一些時刻消逝的機制最近變得更加清晰，但首先神經科學家必須解決一個核心悖論。
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長期記憶和短期記憶都來自神經元之間的連線，連線點稱為突觸，其中一個神經元的訊號發射延伸，稱為軸突，與相鄰神經元數十個訊號接收手指（稱為樹突）中的任何一個相遇。當建立短期記憶時，突觸的刺激足以暫時“加強”或敏化它以響應後續訊號。對於長期記憶，突觸的加強變得永久。然而，自 20 世紀 60 年代以來，科學家們就意識到這需要神經元細胞核中的基因啟用，從而啟動蛋白質的生產。
記憶研究人員一直困惑於細胞核深處的基因活動如何控制遙遠突觸的活動。基因如何“知道”何時永久加強突觸，何時讓轉瞬即逝的時刻消失？基因編碼的蛋白質又如何“知道”加強數千個突觸中的哪一個？同樣的問題也對理解胎兒大腦發育具有影響，胎兒大腦發育是一個大腦決定保留哪些突觸連線以及丟棄哪些突觸連線的時期。在研究這種現象時，我的實驗室提出了一個關於記憶之謎的有趣解決方案。就像多蘿西一樣，我們意識到答案一直都在那裡。
基因記憶
早期的分子生物學家發現，基因在記憶從短期到長期的轉化中發揮作用。他們對接受過簡單任務訓練的動物進行的實驗表明，學習需要在訓練後幾分鐘內在腦內合成新的蛋白質，否則記憶就會丟失[參見伯納德·W·阿格拉諾夫的《記憶與蛋白質合成》；《大眾科學》，1967 年 6 月]。
為了產生蛋白質，細胞核內的 DNA 片段必須轉錄成稱為信使 RNA (mRNA) 的可攜帶形式，然後信使 RNA (mRNA) 傳播到細胞的細胞質，細胞機制在那裡將其編碼的指令翻譯成蛋白質。研究人員發現，阻止 DNA 轉錄成 mRNA 或 mRNA 翻譯成蛋白質會阻礙長期記憶的形成，但短期記憶不受影響。[中斷]
基因如何“知道”何時永久加強突觸？
由於一個神經元可以形成數萬個突觸連線，並且不可能為每個突觸連線都設定一個基因，因此細胞神經科學家試圖解釋細胞核如何控制這些單獨連線的強度。他們推測，當突觸受到充分刺激時，必須由突觸產生一種未知的訊號分子。當突觸的連線暫時加強後，這個突觸可以在短時間內儲存記憶，同時訊號分子離開，蜿蜒到達神經細胞的細胞核。在那裡，這種信使分子將啟用合成永久加強突觸連線所需的蛋白質的適當基因。然而，第二個問題是，這種蛋白質一旦在神經元的細胞體中製造出來，如何才能在數千個突觸中找到呼叫它的那一個。
到 20 世紀 90 年代中期，記憶研究人員對事件有了更詳細的瞭解。他們中的幾位已經表明，一種名為 CREB 的轉錄因子在將短期記憶轉化為蒼蠅和老鼠等遠親動物的長期記憶中起著關鍵作用。轉錄因子是細胞核內的主要蛋白質，它們尋找並結合 DNA 的特定序列。因此，它們是控制基因轉錄的最終開關。因此，神經元內 CREB 的啟用會導致基因啟用，從而導致神秘的突觸增強蛋白質的製造，從而將短期記憶轉化為長期記憶。
1997 年，德國聯邦神經生物學、基因調控和可塑性研究所的 Uwe Frey 和愛丁堡大學的 Richard G. M. Morris 進行了精巧的實驗，進一步表明，無論這些“記憶蛋白質”是什麼，它們都不需要被定址到特定的突觸。它們可以廣播到整個細胞，但只會影響已經暫時加強的突觸，並使該連線永久更強。
這些啟示仍然至少留下了一個更迫切的問題：突觸到細胞核的訊號分子是什麼，它決定何時應啟用 CREB 並儲存記憶？大約在這個時候，我和我的同事們發現自己從不同的角度接近了與記憶研究人員相同的問題。我在美國國家兒童健康與人類發育研究所的實驗室研究大腦如何在胎兒發育期間連線起來。因此，當記憶研究人員想知道精神體驗如何影響基因，基因又如何影響某些突觸連線時，我們想知道基因最初如何指定發育中的大腦中的所有數百萬個連線。
我們和其他發育神經科學家已經懷疑精神體驗可能在磨練大腦的佈線計劃中發揮一定作用。胎兒大腦可能從粗略的神經迴路開始，該回路由基因指令指定。然後，隨著幼小的大腦發育並測試這些連線，它將保留最有效的連線並消除較差的連線。但我們想知道，大腦如何識別哪些連線值得保留？
構建大腦
早在 1949 年，一位名叫唐納德·赫布的心理學家就提出了一個簡單的規則，該規則可以控制經驗如何加強某些神經迴路。受著名的巴甫洛夫狗實驗的啟發，赫布推測，同時放電的神經元之間的連線應該得到加強。例如，當鈴聲響起時放電的神經元和當食物同時出現時放電的附近神經元應該彼此之間連線更牢固，形成一個學習這兩個事件是相關的細胞迴路。
並非所有輸入到神經細胞的輸入都足夠強大以使該細胞自身發出訊號。神經元就像微處理器晶片，因為它透過樹突接收數千個訊號，並不斷整合從這些連線接收到的所有輸入。但與具有許多輸出線的微處理器不同，神經元只有一條輸出線，即軸突。因此，神經元只能以一種方式響應輸入：它可以決定透過其軸突發射脈衝向電路中的下一個神經元傳送訊號，或者不傳送訊號。[中斷]
當神經元接收到這樣的訊號時，其樹突膜上的電壓會略微向正方向變化。這種區域性電壓變化被描述為神經元突觸的“放電”。當突觸以短暫的高頻脈衝放電時，就會發生短期記憶形成中觀察到的暫時加強。但是，單個突觸短暫放電通常不足以使神經元自身發射脈衝，技術上稱為動作電位。然而，當神經元的許多突觸一起放電時，它們的共同努力會使神經元膜的電壓發生足夠大的變化，從而使神經元發射動作電位並將資訊傳遞到電路中的下一個神經元。
赫布提出，就像跟不上的管絃樂隊演奏者一樣，在神經元上與其他神經元輸入不同步放電的突觸會顯得很奇怪，應該被消除，但同步放電的突觸（足以使神經元發射動作電位）應該得到加強。因此，大腦會根據脈衝透過發育中的神經迴路的流動來連線自身，從而完善最初的總體輪廓。
然而，從赫布的理論到理清這個過程的實際機制，人們再次面臨一個事實，即在腦部佈線期間加強或削弱突觸連線的酶和蛋白質必須由特定的基因合成。因此，我們小組開始尋找啟用這些基因的訊號。
由於神經系統中的資訊編碼在大腦神經脈衝活動的模式中，我最初假設神經細胞中的某些基因必須透過脈衝放電模式來開啟和關閉。為了驗證這個假設，我實驗室的一位博士後研究員 Kouichi Itoh 和我從胎鼠身上取出神經元，並在細胞培養中培養它們，在那裡我們可以使用培養皿中的電極刺激它們。透過刺激神經元以不同的模式發射動作電位，然後測量已知在形成神經迴路或適應環境方面重要的基因的 mRNA 量，我們發現我們的預測是正確的。我們可以透過在我們電生理刺激器上撥動正確的刺激頻率來開啟或關閉特定的基因，就像透過選擇正確的訊號頻率來收聽特定的廣播電臺一樣。
時間碼
一旦我們觀察到神經元基因可以根據細胞發出的脈衝模式進行調節，我們就想研究一個更深層次的問題：細胞膜表面的電去極化模式如何控制神經元細胞核深處的基因？為了做到這一點，我們需要窺視細胞質，看看資訊是如何從表面傳遞到細胞核的。
我們發現的不是一條從神經元膜通往細胞核的單一途徑，而是一個高度互連的化學反應網路。就像通往羅馬的道路迷宮一樣，存在多條交叉的生化途徑，它們在細胞質中穿梭，傳遞來自細胞膜的訊號。膜上不同頻率的電訊號以某種方式流經細胞質中的這種交通，到達它們在細胞核中的正確目的地。我們想了解這是如何發生的。
最後，我們開始意識到重要的因素是時間
關於神經元膜電狀態的資訊進入細胞質化學反應系統的主要方式是透過調節鈣離子透過細胞膜中電壓敏感通道的流入。神經元生活在鈣離子的虛擬海洋中，但在神經元內部，鈣離子的濃度保持極低——比外部濃度低 20,000 倍。當神經元膜上的電壓達到臨界水平時，細胞會發射動作電位，導致鈣離子通道短暫開啟。隨著每個神經脈衝的發射，允許鈣離子湧入神經元，將電碼轉換為神經元內部細胞生物化學可以理解的化學程式碼。[中斷]
就像多米諾骨牌一樣，當鈣離子進入細胞質時，它們會啟用稱為蛋白激酶的酶。蛋白激酶透過稱為磷酸化的化學反應來啟用其他酶，磷酸化作用將磷酸鹽標籤新增到蛋白質上。就像跑步者傳遞接力棒一樣，帶有磷酸鹽標籤的酶從休眠狀態被啟用，並刺激轉錄因子的活性。例如，CREB 被鈣依賴性酶啟用，這些酶使其磷酸化，並被去除磷酸鹽標籤的酶滅活。但細胞中有數百種不同的轉錄因子和蛋白激酶。我們想知道特定頻率的動作電位放電如何透過鈣通量來達到適當的蛋白激酶，並最終達到正確的轉錄因子來控制正確的基因。
透過用當細胞質中鈣濃度升高時會發出綠光的染料填充神經元，我們能夠跟蹤不同的動作電位放電模式如何轉化為細胞內鈣的動態波動。一種簡單的可能性是，基因轉錄可能受神經元中鈣升高量的調節，不同的基因對不同水平的鈣反應更好。然而，我們觀察到一個更有趣的結果：神經元中鈣的增加量在調節特定基因方面遠不如鈣閃爍的時間模式重要，這與產生它們的神經脈衝的時間碼相呼應。
我實驗室的另一位博士後研究員 Feleke Eshete 追蹤了這些鈣訊號到它們啟用的酶以及這些酶調節的轉錄因子，最終我們開始理解不同的神經脈衝模式如何透過不同的細胞內訊號通路傳輸。重要的因素是時間。
我們發現，人們無法用簡單的化學反應序列來表示從細胞膜到 DNA 的通路。在每一步，從鈣進入膜開始，反應都分支成高度互連的訊號通路網路，每個通路都有自己的速度限制，控制著它對間歇性訊號的反應能力。這種特性決定了特定頻率的動作電位將遵循哪個訊號通路到達細胞核。
一些訊號通路反應迅速且恢復迅速；因此，它們可以對高頻動作電位模式做出反應，但不能維持對被長時間不活動間隔隔開的動作電位脈衝串的啟用。其他通路則遲緩，對快速脈衝串反應不佳，但一旦啟用，它們的失活緩慢意味著它們可以維持被長時間不活動間隔隔開的動作電位脈衝串之間的訊號。因此，由此通路啟用的基因將對重複但頻率較低的刺激做出反應，例如將新資訊提交到記憶所需的重複。
換句話說，我們觀察到不同時間模式的訊號透過對這些特定模式有利調節的不同通路傳播，並最終調節不同的轉錄因子和不同的基因。例如，我們的測量結果表明，CREB 被動作電位快速啟用，但在我們停止刺激神經元后失活緩慢。因此，CREB 將在重複的刺激脈衝串之間維持其啟用狀態，這些刺激脈衝串之間的時間間隔為 30 分鐘或更長時間，類似於學習新技能或事實所需的練習時間間隔。
鑑於 CREB 在記憶中的作用，我們不禁想知道我們正在研究以瞭解大腦發育的訊號通路是否也可能與記憶機制有關。因此，我們設計了一個測試。
培養皿中的記憶
如果從大鼠身上解剖出從 HM 患者身上切除的大腦部分——海馬體，並將其儲存在鹽溶液中，則微電極和電子放大器可以記錄來自神經元上各個突觸連線的電脈衝。透過向突觸施加一連串電擊，使其以特定模式放電，可以加強該突觸連線。也就是說，突觸在接收到高頻刺激後，對後續刺激產生的電壓大約是原來的兩倍。[中斷]
這種增強的強度，稱為長時程增強 (LTP)，儘管名稱如此，但可能相對短暫。當在高頻刺激後以一系列間隔施加測試脈衝時，突觸產生的電壓會在幾個小時內緩慢降低至其原始強度。這種稱為早期 LTP 的暫時性突觸增強是短期記憶的細胞模型。
值得注意的是，如果重複應用相同的高頻刺激（在我們的實驗中是三次），突觸就會永久加強，這種狀態稱為晚期 LTP。但是刺激不能一個接一個地重複。相反，每個刺激脈衝串必須間隔足夠的不活動間隔（在我們的實驗中為 10 分鐘）。並且向沐浴腦切片的鹽溶液中新增阻止 mRNA 或蛋白質合成的化學物質會導致突觸在兩到三個小時內減弱至其原始強度。正如在整個生物體中一樣，短期記憶的細胞模型不依賴於細胞核，但長期形式的記憶是依賴於細胞核的。
事實上，Frey 和 Morris 已經使用這種技術表明，突觸增強蛋白質會影響任何暫時加強的突觸。首先，他們短暫地刺激一個突觸以誘導早期 LTP，這通常只會持續幾個小時。然後，他們以一種會在該突觸中誘導晚期 LTP 的方式激發同一神經元上的第二個突觸：三個脈衝串，間隔 10 分鐘。結果，兩個突觸都被永久加強了。更強的刺激向細胞核發送訊號，要求製造記憶蛋白質，而蛋白質“找到”了任何已經準備好使用它們的突觸。
基於我們展示不同脈衝模式如何啟用特定基因的工作，並回顧赫布的理論，即神經元的放電對於確定其哪些連線將被加強至關重要，我們質疑是否真的需要從突觸發送到細胞核的訊號分子來觸發長期記憶的形成。相反，我們提出，當突觸放電足夠強或與其他突觸同步放電，從而使神經元透過其軸突發射動作電位時，鈣應該直接透過細胞體中電壓敏感通道進入神經元，並激活我們已經研究過的通往細胞核中 CREB 啟用的通路。
為了驗證我們的理論，博士後 Serena Dudek 和我給腦切片施用了一種已知會阻止突觸功能的藥物。然後，我們透過使用電極直接刺激神經元的細胞體和軸突來使神經元發射動作電位。因此，神經元發射了動作電位，但這些神經元的突觸輸入無法發射。如果突觸到細胞核的訊號分子對於觸發晚期 LTP（我們的長期記憶形成的細胞模型）是必需的，那麼這個過程應該行不通，因為突觸被藥物沉默了。另一方面，如果到達細胞核的訊號源於神經元發射動作電位，就像在我們的發育研究中一樣，那麼沉默突觸應該不會阻止細胞核中記憶蛋白質基因的啟用。
接下來，我們處理了腦組織，以確定轉錄因子 CREB 是否已被啟用。事實上，在腦切片中被刺激在完全沒有突觸活動的情況下發射動作電位的小區域中，所有 CREB 都添加了一個磷酸分子，表明它已被切換到啟用狀態。
然後，我們檢查了已知與 LTP 和記憶的產生相關的基因 zif268 的活性。我們發現，在沒有任何突觸刺激的情況下，海馬神經元放電也將其開啟。但是，如果我們在另一種阻斷電壓敏感鈣通道的藥物存在下進行相同的刺激（我們懷疑電壓敏感鈣通道是膜到細胞核訊號的實際來源），我們發現 CREB 磷酸化、zif268 和與晚期 LTP 相關的蛋白質 MAPK 在神經元放電後均未被啟用。[中斷]
這些結果清楚地表明，不需要從突觸到細胞核的信使。正如在我們的發育研究中一樣，動作電位引起的膜去極化打開了神經元膜中的鈣通道，激活了通往細胞核的訊號通路，並打開了適當的基因。記憶以這種方式工作似乎很有道理。細胞核中的轉錄機制不是讓神經元上的每個突觸都向細胞核發送私人資訊，而是監聽神經元的輸出，以決定是否合成記憶固定蛋白質。
分子《記憶碎片》
也許未被發現的突觸到細胞核的訊號分子確實以某種方式參與了記憶過程，但我們的實驗表明它們並非絕對必要。正如赫布學習規則所預測的那樣，神經元的放電（由細胞所有突觸輸入的組合激發引起）是鞏固記憶的必要事件。
這種理解為我們日常的記憶體驗提供了一個非常吸引人的細胞類比。就像《記憶碎片》中的倫納德或任何犯罪現場的目擊者一樣，人們並不總是事先知道哪些事件應該永久地被記錄在記憶中。在當下運作所需的即時記憶可以透過單個突觸強度的瞬時調整來很好地處理。但是，當一個事件足夠重要或重複足夠多次時，突觸放電會使神經元反過來反覆強烈地發射神經脈衝，宣告“這是一個應該記錄的事件”。相關基因被開啟，當突觸增強蛋白質找到它們時，那些儲存短期記憶的突觸實際上會被“紋身”。