捕捉记忆创造的本质

亨利·古斯塔夫·摩拉逊（Henry Gustav Molaison），臭名昭著地被称为患者“H.M.”，遭受严重的癫痫。在经历了许多次癫痫发作后，一名外科医生将他的癫痫发作源头定位于其海马体所在的颞叶。

在1953年9月1日，H.M.接受了手术，切除了他的海马体，希望减轻他的癫痫。尽管手术停止了他的癫痫发作，但却导致了严重的后果：H.M.发展为前向性健忘症，这意味着他可以记住手术前的事件，但无法形成新的记忆。他的病例对确立海马体与大脑记忆功能之间的联系具有重要意义。

今天，海马体被认定为记忆发展和空间定位的关键。它负责将短期记忆转化为长期记忆，帮助人们回忆个人经历。

在最近由研究人员Olena Kim、Yuji Okamoto和ISTA的生命科学麦格达莱娜·瓦尔茨教授 Peter Jonas主导的一项研究中，国际神经科学家合作团队发现了记忆形成中涉及的分子过程的新见解。他们通过整合多种技术，仔细检查了苔藓纤维突触——海马体中特定神经元之间的关键连接点——的结构、重要分子和功能。

记忆中心

在海马体内，不同类型的神经元共同参与记忆处理。例如，颗粒细胞在管理传入信息方面发挥重要作用。“颗粒细胞接收来自大脑其他区域的各种信号，这些信号需要被处理并向前传递，”ISTA的毕业生Olena Kim解释，她现在是奥地利科学院（ÖAW）分子生物技术研究所的博士后研究员。

这些信息通过颗粒细胞的轴突流动，轴突是它们像手臂一样的延伸，被称为苔藓纤维。这些纤维与锥体细胞建立连接——形成了所谓的苔藓纤维突触。在这个连接处，神经递质作为信使分子，促进了最终导致记忆形成和保留的沟通。

苔藓纤维突触以其高可塑性而闻名，这意味着它们可以根据各种刺激调整其活动、结构和连接。这种灵活性对于海马体准确处理信息和区分相似输入至关重要。

Kím用一个例子来说明这一点：“想象一下同时遇到一只美洲豹和一只黑猫；都有黑色且是猫科动物。然而，你能够将一只辨别为猫，而另一只辨别为美洲豹。苔藓纤维突触对于编码和处理这些差异是至关重要的，从而导致记忆和信息的检索。”

苔藓纤维突触的特写

苔藓纤维突触中信号处理的精确分子机制在很大程度上仍然未知。早在2020年，Peter Jonas、Carolina Borges-Merjane和Olena Kim开始探索这些突触的结构，使用一种创新的方法叫做“闪光与冷冻”，该方法可以在刺激后立即冷冻神经元。

Kim表示：“在我们之前的研究中，我们成功地将苔藓纤维突触的结构变化与其功能联系了起来。然而，我们的目标是将研究扩展，不仅检查突触结构，还要研究信号处理过程中发生的分子变化。”

研究人员聚焦于神经递质释放区的两个关键蛋白：Cav2.1钙通道，这些通道至关重要，因为通过这些通道的钙流入触发神经递质的释放，以及Munc13，这是指示神经递质释放准备就绪的重要成分。

在他们的研究之前，关于这些蛋白的研究使用化学固定的脑样本进行，这并不能反映活体动态过程。“在我们的新研究中，我们旨在利用活脑组织来维持这些蛋白的动态、自然成分和定位，”Kim补充道。

像月球表面一样

与他们的ISTA同事，教授Ryuichi Shigemoto和科学家Walter Kaufmann合作，科学家们采用了“冷冻断裂标记”技术。他们对小鼠脑组织中的颗粒细胞进行化学刺激以激活记忆形成，然后迅速冷冻并将脑组织一分为二。分割部分的内表面显示了瞬间组织的3D印记，包括嵌入的蛋白质和分子。

在标记了Cav2.1和Munc13以便于观察之后，研究人员使用电子显微镜来确定它们的位置。最终的图像像是月球表面的特写，显示这些蛋白在刺激后重新排列并彼此靠近。

进一步的研究表明，这种重新排列与苔藓纤维突触的功能密切相关。Peter Jonas总结道：“在激活后，我们观察到两个关键变化。首先，膜附近的囊泡数量增加。其次，Cav2.1和Munc13经历了纳米重排，增强了突触的力量和精度。这些变化可能在形成记忆中发挥作用。”

这项研究揭示了海马体关键突触中结构与功能之间的关联。记忆往往会唤起生动的形象；然而，之前我们缺乏捕捉触发记忆形成的分子信号的能力。这项研究为未来在这一领域的探索奠定了基础。