大腦如何將外部信息轉(zhuǎn)化為記憶?

人類大腦如何將外部信息轉(zhuǎn)化為自己的記憶?作為“人類大腦計劃”的一部分,來自德國、瑞典和瑞士的科研小組研究了大腦紋狀體中的神經(jīng)元回路。研究結(jié)果發(fā)表在近期的《計算生物學(xué)》雜志上,對理解神經(jīng)系統(tǒng)的基本功能具有重要意義。

大腦信息處理發(fā)生在通過突觸連接的神經(jīng)回路內(nèi),突觸的任何變化都會影響我們記憶事物,或?qū)δ承┐碳ぷ龀龇磻?yīng)的方式。利用突觸可塑性可以操縱這些神經(jīng)回路,該過程中某些突觸會隨著時間的流逝而增強或減弱,具體取決于神經(jīng)元的活動。

研究小組分析了這些突觸變化的生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò),進一步破譯了可塑性機制。研究負(fù)責(zé)人之一、斯德哥爾摩皇家技術(shù)學(xué)院的杰內(nèi)特·可塔爾斯基解釋說:“模擬可塑性機制對于理解某些由分子計算產(chǎn)生的高級現(xiàn)象,例如學(xué)習(xí)和記憶形成至關(guān)重要。”

在神經(jīng)元中,外部和內(nèi)部信息處理通過突觸可塑性,將突觸信號在腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸。腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的單個分子也可以執(zhí)行這些生化反應(yīng),通常是一種稱為AC酶。例如,哺乳動物中的腺苷酸環(huán)化酶家族,可將細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)信號分子(cAMP),這是細(xì)胞最重要的次級信使之一。

德國尤利希研究中心的保羅·卡羅尼稱:“某些輔助蛋白質(zhì)化學(xué)反應(yīng)是通過靶向AC酶來啟動的,而其他酶則會阻止它們。我們的工作向更好地理解這些AC蛋白的“分子識別”邁出了重要一步,神經(jīng)元可以極高的精確度和準(zhǔn)確性控制AC酶催化反應(yīng)的速率。這反過來又激活了神經(jīng)元功能所必需的后續(xù)過程。”

大腦表達(dá)由9種膜結(jié)合的AC變體,其中AC5代表紋狀體中的主要形式。在基于反應(yīng)的學(xué)習(xí)中,cAMP的產(chǎn)生對于加強從皮質(zhì)神經(jīng)元到紋狀體主要神經(jīng)元的突觸至關(guān)重要,并且產(chǎn)生取決于多種神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),例如多巴胺和乙酰膽堿。首席研究員麗貝卡·旺德總結(jié)說:“在這項研究中,我們匯集了來自4個不同研究所科學(xué)家的專業(yè)知識,共同開發(fā)一種多尺度仿真方法,并使用它來創(chuàng)建依賴AC5的信號系統(tǒng)的動力學(xué)模型。”(記者顧鋼)

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