视觉刺激对海马可塑性和学习记忆功能的影响

　　1 引言

　　感官刺激对个体生存和发展发挥着关键的作用.所有感官刺激中,视觉刺激是机体接受外界信息的主要来源,占所有感觉传入信息的 80% 以上[1].脑的发育受基因和后天环境因素的综合作用.脑的高级智能活动学习记忆是在中枢神经系统控制下接受外界信息,在脑内贮存、提取并影响自身行为的极其复杂的神经过程[2-3].研究发现,视知觉学习可以通过 NO-cGMP 和 cAMP 等信号途径促进长期记忆[3],视知觉处理功能异常会导致学习障碍[4],但是其具体机制尚不明确.海马是学习记忆的中心,海马的可塑性是脑认知科学的研究热点.

　　除了突触的可塑性和突触的长时程增强( long-termpotentiation,LTP ) 机制外,海马成体神经干细胞( neural stem cells,NSCs) 再生也可促进海马的可塑性,对学习记忆发挥着重要作用[5-6].研究[7]表明,海马依赖性学习( 如图形分辨) 、环境强化( 如视、听、触觉刺激) 以及强迫性和自主性体能锻炼能促进海马神经细胞再生及脑源性神经营养因子( brain-derived neurotrophic factor,BDNF) 的表达并激活其介导的多种信号转导途径,促进学习和记忆.然而,学习记忆的作用机制仍未完全阐明.该文介绍一种新的视觉刺激模式---触屏式视觉识别学习系统,分析视觉刺激对海马可塑性和学习记忆功能的影响,探讨如何通过改善视觉刺激条件提高海马学习记忆功能.

　　2 动物视觉学习记忆行为评价新模式---触屏式视觉识别学习系统的建立

　　行为学分析是判断学习记忆功能的重要手段.目前对动物学习记忆的行为学评价测试装置大多是利用动物觅食、求生、逃避伤害、喜暗恶明等特点设计的.学习方式主要包括 2 种: 一是防御性回避学习,如穿梭箱、爬杆、电击等; 二是辨别性学习,如各类迷宫,其中 Morris 水迷宫虽然被作为学习记忆功能评价的"金标准",但其耗时长、体耗大,不能真正体现动物的学习情形,尤其不适合老年动物,这显然不利于对学习记忆及脑认知干预的深入研究[8].

　　随着神经科学的快速发展,行为学分析的标准和概念都面临新挑战.如何将传统的行为学研究方法和最新的理论技术相结合,为学习记忆功能调控研究提供更合适的模型是今后发展的重要方向.

　　依赖视觉系统的感知功能,哺乳动物分辨所见物体的特征,经脑皮质过滤、筛选、处理和加工,形成对学习和记忆有重要意义的综合视知觉[1].因此,视觉学习的脑机制探索是深化脑科学领域研究的关键.在神经网络的研究中,视觉刺激是最常用的环境因素.近年来,一种新的适合啮齿动物视觉学习的触屏式学习测试方法先后被美国和英国报道.这种方法通过电脑屏幕上的不同图形对鼠进行视觉刺激,动物鼻触或微压开关做出应答,并结合奖惩机制,分辨正确时将瞬时得到食物奖赏,错误时给予惩罚.这是一种刺激-反应-反馈一体化的自动控制方法,具有许多优点: ①人和鼠都适用,有利于人、鼠模型的转化.②可控性较好.③同一装置可用于多种认知实验,有利于比较.④电脑自动化控制,精确性好.⑤易于实现标准化.⑥以食物为奖励增加了食欲,适用于转基因动物.⑦体能消耗低.⑧能在较短时间内达到良好的训练效果,适合高通量研究.

　　触屏式视觉识别学习系统是一种在大鼠主动愉悦的学习过程中实时、简便、高效地评价其认知功能的模型,已在行为学、疾病模型和药学领域得到良好的应用.此外,还发现各种优化实验的方法: ①确定并减少各种自发刺激偏离因素,如大鼠本身对某些刺激产生偏好.②设计合理的刺激图形.③增加实验间隔,增加每轮的刺激次数.④选择合适的奖赏食物种类等[9].

　　3 海马成体 NSCs 的可塑性与学习记忆功能的关系

　　以往研究[10]发现,神经元之间突触的可塑性是学习和记忆的神经细胞学基础,LTP 是学习和记忆的神经细胞学机制.然而,包括人在内的成年哺乳动物海马颗粒下区( SGZ) /齿状回( DG) 和侧脑室管膜下区/嗅球 2 个特定区域存在大量 NSCs,这打破了成体脑神经细胞不能再生的观点.海马是公认的学习和记忆的中心,所以海马区 NSCs 再生是脑可塑性的重要体现,是学习和记忆研究的热点[11].

　　3. 1 海马 NSCs 再生的过程 海马 NSCs 再生可发生在整个生命过程,包括 5 个过程: SGZ 前体细胞的激活、前体细胞和中间细胞的增生、NSCs 的产生、未成熟神经元的整合和 DG 成体颗粒神经元的成熟[10].在再生过程中,新生的神经细胞发生一系列的变化[12],包括形态学的改变和功能的改变[13],此过程中大多数细胞凋亡,只有 10% ~50% 的细胞存活数周或终生,并分化为颗粒细胞,整合到海马的神经环路[14].成熟颗粒细胞具有典型的三级突触海马环路[15].与成熟颗粒细胞相比,新生神经元具有特别的神经环路.起初新生神经元接受成熟颗粒细胞的神经支配和 CA3 区锥形细胞的直接反馈,约 1个月后主要接受由周边或侧边内皮层输入的信息,因为周边或侧边内皮层是整合特殊感官和环境信息的重要部位,所以新生神经元这种特别的神经通路决定了其特异的功能[16].

　　3. 2 海马 NSCs 再生的影响因素 通常海马以极低的速度发生神经再生,但在一些内外部环境作用下新生细胞数量可发生很大改变.研究[17]证明海马依赖的学习任务促进海马神经细胞再生,但同时也受多种其他因素的影响,如未成熟神经元的年龄.研究[18]发现,只有在特定阶段的新生神经细胞( 小鼠4 周左右,大鼠11 ~15 d) 接受学习才能促进新生细胞的存活,之后才能通过检测即早基因的表达发现特定时间窗( 小鼠 4 ~10 周,大鼠 16 ~20 d[19-20])的新生神经元被激活,参与记忆巩固和重拾,而在时间窗之前还未形成 LTP 和记忆巩固所需要的神经联络.研究[21]也指出,在时间窗之前新生神经元的神经通路还未建立,而之后细胞稳定的生存能力不再改变,因此新生细胞的成熟过程是决定海马依赖性学习是否影响以及如何影响细胞生存的一个关键因素.海马依赖的学习任务对海马 NSCs 再生的作用还受多种内外部因素的影响,如种别[22]、性别[23]、年龄[24]和药物[25]等,适当学习任务的种类和复杂程度的学习[26]、体能锻炼[27]、环境强化[28]可明显促进海马 NSCs 再生,促进生理状态下的认知甚至改善病理状态下的认知障碍.

　　3. 3 海马 NSCs 再生对学习记忆的影响 Deng等.在综述中提到,在 14 个研究中分别用 X 线照射、细胞增殖抑制剂、遗传基因操作等阻遏神经细胞再生,然后进行后续的认知学测试,其中 8 个研究中未发现空间学习的获得障碍,而 5 个研究中发现有认知障碍,还有 1 个研究中发现不影响在 Morris 水迷宫中的学习而影响在巴恩斯迷宫中的学习.这些研究中有的也报道了记忆功能,其中 3 个研究中未发现短期和长期记忆的缺陷,而 8 个研究中有缺陷.

　　这些研究结果并不一致,神经细胞再生和学习记忆的因果关系也并未明确.然而进一步分析表明,神经细胞再生在图案分辨这个特定的海马依赖性学习记忆过程中发挥着重要的作用,但由于不同的实验方法、工具和任务对测试的图案分离能力的要求不同,导致得出神经细胞再生和学习记忆关系不一致的结论.明确了神经细胞再生和图案分离的因果关系后发现,只有那些对图案分离能力要求高的研究才会发现神经细胞再生与学习记忆的因果关系,即去除了神经细胞再生,学习记忆受损.研究[29]发现,增加成体海马神经细胞再生能提高图案分辨认知能力,但是当区别很大或者是不同的环境时,认知获得能力并没有提高.总之,受各种诱导因素从成体 NSCs 分化而来的新生神经细胞对海马依赖性学习记忆任务的执行具有明显的促进作用.虽然神经细胞再生对学习记忆不是必须的,但其对学习的促进作用不可忽略.

　　还有研究[29]提出,轻微减少海马神经细胞再生并不明显影响动物的记忆功能,只有将神经细胞再生降低到一定程度才会损伤海马依赖的学习记忆.海马 DG 的信息处理是否大部分由成体新生神经元完成? 为什么少量的新生神经元就能影响整个大脑的功能? 有研究[30-31]通过检测即早基因的表达发现,海马内新生的神经元兴奋性较高,对输入信号灵敏,受 γ 氨基丁酸能神经递质抑制性影响小,更容易被激活,而且,新生的神经元能迅速整合于海马网络,促进海马学习和记忆.此外,新生神经元还能通过选择性激活多种调节通路与许多不同的中间神经元发生联系,并可调控其他脑区功能.因此,少量的新生神经元就能对整个大脑的学习记忆功能产生重要作用.

　　4 通过 BDNF 分子信号对学习记忆功能的调控

　　BDNF 是神经营养家族的一员,BDNF 与其受体TrkB 结合后介导多种信号转导途径,发挥多种生物学作用,影响学习记忆[32].其中,在成熟神经元,BDNF 参与突触的产生、维持和修饰等结构性调节,并通过增加突触的密度和树突的分枝促进神经形态学改变[33]; BDNF 还参与神经传递、受体活性等功能性调节,并促进突触的可塑性[34].在未成熟神经元,BDNF 调控神经元的增生、神经前体细胞和新生神经元的分化、成熟、生存和再生[35].BDNF 是介导海马神经细胞再生与学习记忆的一个不可忽视的中间变量,它直接参与调控海马的可塑性,是管理学习记忆的一个重要活性因子.BDNF 具有独特的维持神经结构和学习记忆功能环路的耦合作用,BDNF水平的动态变化与认知程度密切相关[36].研究[37-38]发现,强迫性和自觉性锻炼都能增加海马空间学习记忆能力和增强 BDNF、TrkB 及其介导的下游信号分子的表达水平.同样阻抗训练可提高海马BDNF、CREB表达并激活 mTOR[39].此外,Sun 等[40]发现环境强化通过提高 BDNF 的表达促进老年痴呆小鼠认知能力的恢复.而视觉学习训练是否能通过 BDNF 介导的信号途径影响海马神经细胞再生及学习记忆还有待于进一步研究.

　　5 结论

　　海马可塑性除了既往普遍认为的突触可塑性外,以成体神经细胞再生为标志的细胞可塑性丰富和补充了海马的可塑性.破坏神经细胞再生会导致相关认知障碍,而学习、环境增强和运动锻炼能促进神经再生,再生的神经细胞又反过来提高海马学习记忆功能并拯救因海马神经细胞再生能力降低所致的记忆障碍.因此,学习训练和海马神经细胞再生相互促进.分子学上,介导神经细胞再生和学习记忆的一个关键因子 BDNF 通过多种信号转导途径影响海马神经细胞可塑性,调节与学习记忆相关的基因转录和蛋白质翻译,是促进学习记忆的一个重要的中间变量.视知觉学习作为一种特殊的学习方式能够促进记忆功能,这为研究脑认知科学展开新的视角,但也提出许多挑战性的问题.

　　参考文献

　　[1] Kim S,Jeneson A,van der Horst AS,et al. Memory,visualdiscrimination performance,and the human hippocampus[J]. J Neurosci,2011,31( 7) : 2624

　　[2] Park S,Chun MM,Johnson MK. Refreshing and integratingvisual scenes in scene-selective cortex[J]. J Cogn Neuros-ci,2010,22( 12) : 2813

　　[3] Matsumoto Y,Hirashima D,Terao K,et al. Roles of NO sig-naling in long-term memory formation in visual learning inan insect[J]. PLoS One,2013,8( 7) : e68538[4] Koller HP. Visual processing and learning disorders[J].Curr Opin Ophthalmol,2012,23( 5) : 377

　　[5] Deng W,Aimone JB,Gage FH. New neurons and new mem-ories: how does adult hippocampal neurogenesis affectlearning and memory? [J]. Nat Rev Neurosci,2010,11( 5) : 339

　　[6] Koehl M,Abrous DN. A new chapter in the field of memo-ry: adult hippocampal neurogenesis[J]. Eur J Neurosci,2011,33( 6) : 1101

　　[7] Yau SY,Lau BW,Zhang ED,et al. Effects of voluntary run-ning on plasma levels of neurotrophins,hippocampal cellproliferation and learning and memory in stressed rats[J].Neuroscience,2012,222: 289

　　[8] Mutlu O,Ulak G,Celikyurt IK,et al. Effects of olanzapine,sertindole and clozapine on learning and memory in theMorris water maze test in naive and MK-801-treated mice[J]. Pharmacol Biochem Behav,2011,98( 3) : 398