一項小鼠研究表明，當長期記憶形成時，一些腦細胞會經歷強烈的電活動，以至於其 DNA 斷裂。然後，炎症反應啟動，修復這種損傷並幫助鞏固記憶。
麻省理工學院（位於劍橋）的神經生物學家蔡立慧（Li-Huei Tsai）表示，3 月 27 日發表在《自然》雜誌上的這項研究結果“非常令人興奮”，她沒有參與這項工作。她說，這些發現有助於描繪出形成記憶是一項“冒險事業”的景象。通常，雙螺旋 DNA 分子兩條鏈的斷裂都與包括癌症在內的疾病有關。但在這種情況下，DNA 損傷和修復週期為記憶如何形成和持久提供了一種解釋。
該研究的共同作者，紐約市阿爾伯特·愛因斯坦醫學院的神經科學家耶萊娜·拉杜洛維奇（Jelena Radulovic）表示，這也提出了一個誘人的可能性：這種週期可能在患有阿爾茨海默病等神經退行性疾病的人身上存在缺陷，導致神經元 DNA 中錯誤累積。
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炎症反應
這並非 DNA 損傷首次與記憶聯絡起來。2021 年，蔡立慧和她的同事表明，雙鏈 DNA 斷裂在大腦中廣泛存在，並將其與學習聯絡起來。
為了更好地理解這些 DNA 斷裂在記憶形成中起到的作用，拉杜洛維奇和她的同事訓練小鼠將輕微電擊與新環境聯絡起來，這樣當動物再次被放入該環境時，它們就會“記住”這種體驗並表現出恐懼跡象，例如僵在原地。然後，研究人員檢查了海馬體（大腦中負責記憶的關鍵區域）神經元中的基因活動。他們發現，在訓練四天後，一組神經元中一些負責炎症的基因處於活躍狀態。訓練三週後，相同的基因活性大大降低。
該團隊確定了炎症的原因：一種名為 TLR9 的蛋白質，它會觸發對細胞內部漂浮的 DNA 片段的免疫反應。拉杜洛維奇說，這種炎症反應類似於免疫細胞在防禦入侵病原體的遺傳物質時使用的反應。然而，研究人員發現，在這種情況下，神經細胞不是對入侵者做出反應，而是對它們自身的 DNA 做出反應。
TLR9 在一組海馬神經元中最為活躍，這些神經元中的 DNA 斷裂難以修復。在這些細胞中，DNA 修復機制積累在一種稱為中心體的細胞器中，中心體通常與細胞分裂和分化有關。然而，拉杜洛維奇說，成熟的神經元不會分裂，因此看到中心體參與 DNA 修復令人驚訝。她想知道記憶的形成機制是否類似於免疫細胞適應它們遇到的外來物質的方式。換句話說，她說，在損傷和修復週期中，神經元可能會編碼有關觸發 DNA 斷裂的記憶形成事件的資訊。
當研究人員從小鼠中刪除編碼 TLR9 蛋白的基因後，這些動物在回憶關於其訓練的長期記憶時遇到了困難：當被放置到之前受到電擊的環境中時，它們僵住的頻率遠低於基因完整的小鼠。拉杜洛維奇說，這些發現表明，“我們正在使用我們自己的 DNA 作為訊號系統”來“長期保留資訊”。
融入
該團隊的發現如何與其他關於記憶形成的發現相吻合仍不清楚。例如，研究人員已經表明，被稱為印跡的一組海馬神經元是記憶形成的關鍵。這些細胞可以被認為是單個記憶的物理痕跡，並且它們在學習事件後表達某些基因。但作者表示，拉杜洛維奇和她的同事觀察到與記憶相關的炎症的神經元組，與印跡神經元大多不同。
都柏林聖三一學院的印跡神經科學家托馬斯·瑞安（Tomás Ryan）表示，這項研究提供了“迄今為止最好的證據，證明 DNA 修復對記憶至關重要”。但他質疑神經元是否編碼了與印跡不同的東西——相反，他說，DNA 損傷和修復可能是印跡產生的後果。他說：“形成印跡是一項影響深遠的事件；之後你必須做很多善後工作。”
蔡立慧希望未來的研究將探討雙鏈 DNA 斷裂是如何發生的，以及它們是否也發生在其他大腦區域。
與瑞安在都柏林聖三一學院合作的神經科學家克拉拉·奧爾特加·德聖路易斯（Clara Ortega de San Luis）表示，這些結果使人們更加關注細胞內部記憶形成和永續性的機制。她說：“我們對神經元之間的‘連線性’和‘神經可塑性’瞭解很多，但對神經元內部發生的事情卻知之甚少。”
本文經許可轉載，並於 2024 年 3 月 27 日首次發表。