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精确定位细胞如何调节持久记忆

纽约 - 从初吻到孩子的出生,大脑有保护我们最珍贵记忆的诀窍。在一项针对小鼠细胞的新研究中,哥伦比亚神经科学家绘制了一些帮助大脑维持这些长期记忆的分子机制。通过观察从大脑记忆中心提取的大脑神经细胞(称为神经元)的活动,研究人员概述了蛋白质CPEB3如何激活神经元以存储经得起时间考验的记忆。

今天发表在“美国国家科学院院刊”上的这些研究结果提供了一种前所未有的观点,即大脑中最普遍和最基本的细胞功能之一。他们还提出针对以记忆丧失为特征的神经退行性疾病的新靶点,最显着的是阿尔茨海默病。

“记忆就是让我们成为现实的人。它渗透到我们的生活中,是我们生存的基础,”该研究的共同资深作者,同时也是哥伦比亚大学Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute的联合资深作者Eric Kandel说。哥伦比亚大学教授和Kavli脑科学教授。“但在其核心,记忆是一个生物过程,与心跳不同。通过今天的研究,我们已经揭示了我们大脑在我们生活中制造,保持和回忆记忆的能力背后的分子基础。”

所有记忆,甚至是稍纵即逝的记忆,都是在从神经元伸出的细小分支(称为轴突)彼此连接时形成的。这些连接点,称为突触,就像握手:它们可以是强者还是弱者。当他们削弱时,记忆就会消失。但是当它们加强时,记忆经得起时间的考验。研究人员最近报道,加强突触会导致神经元解剖结构发生可观察到的变化。

2015年,Kandel博士和他的团队在小鼠中发现了一种蛋白质CPEB3,它在这种解剖学变化中起着关键作用。他们发现当记忆形成和回忆时,CPEB3存在于大脑的突触中。当研究人员阻止小鼠制造CPEB3时,这些动物可以形成新的记忆,但不能完整保存。

“如果没有CPEB3,突触连接就会崩溃,记忆也会消失,”Luana Fioriti博士说,Mario Negri药理研究所实验室主任,意大利米兰Dulbecco Telethon研究所助理Telethon科学家,兼职休假副研究员坎德尔实验室Fioriti博士是该论文的共同资深作者。“发现CPEB3在神经元内部的精确功能是今天研究的推动力。”

在海马中,大脑的记忆中心,CPEB3在神经元中心内定期产生。在今天的研究中,哥伦比亚团队发现,一旦CPEB3产生,它就被转移到P体,隔离室使CPEB3处于休眠状态并随时可以使用。

“P体没有像膜一样的物理屏障来容纳CPEB3,”Kandel实验室的博士后研究科学家,该论文的共同第一作者Lenzie Ford博士说。“相反,P体密度大于周围环境。这种密度差异将P体固定在一起,形成一种生物物理力场,使CPEB3保持在细胞内部和远离细胞的其他部分。”

一旦载满休眠的CPEB3,研究人员发现,P体离开神经元的中心,沿着树枝向突触方向移动。当动物有经验并开始形成记忆时,P体会溶解。CPEB3被释放到突触中以帮助创建该内存。随着时间的推移,随着更多CPEB3的发布,这些突触会加强。这改变了神经元的解剖结构,从而稳定了记忆。

“我们的研究结果强调了蛋白质合成在维持记忆中的核心作用,”霍华德休斯医学研究所研究员坎德尔博士说,他在记忆分子基础上的开创性工作为他赢得了2000年诺贝尔生理学或医学奖。“虽然我们尚未发现可能涉及的其他过程,但这项研究采用了最先进的生物化学,遗传学和显微镜工具,揭示了一种优雅的生物记忆机制,具有无与伦比的细节。”

除了这项研究揭示的记忆之外,它还提供了以记忆丧失为特征的神经退行性疾病的见解。由于CPEB3在记忆储存中的重要性,以及CPEB3的一个版本也存在于人类大脑中,因此该蛋白质代表了一个很有前途的重点领域。

“随着时间的推移,突触形成和加强的科学对于解读任何突触 - 以及与它们相关的记忆 - 降解和死亡的疾病,如阿尔茨海默病,是非常重要的,”菲奥里蒂博士说。“通过继续建立这种理解,我们有朝一日可以开发出有效的方法,以防止突触降解的方式增强CPEB3,从而减缓记忆丧失。”

根据哥伦比亚团队的说法,另一个重点领域是蛋白质SUMO,该团队还发现该蛋白质在这一过程中发挥了核心作用。

“我们最有趣的发现之一是CPEB3不会自行进入P体;另一种名为SUMO的蛋白质可以指导它,”福特博士说。“这一过程称为SUMOylation,代表了进一步研究记忆的另一个有希望的途径 - 无论是在健康还是疾病方面。”

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