學生記者 王夢琪 記者 王濤
楊佳佳
神經科學是當今最複雜也是最具突破前景的科學領域之一，人類大腦神經的學習與記憶能力正在逐步被認知與了解，科幻電影《盜夢空間》中甚至可以修改人類的記憶，而隨著神經科學技術的進步，這在現實中也有可能實現，並給人類神經系統疾病的治療與康復提供路徑。來自天津大學精儀學院的青年教師楊佳佳以「解碼記憶--重大神經系統疾病的認知與康復研究」為題,在近期青椒學術沙龍活動中做了分享，介紹了世界神經科學與神經系統疾病的研究領域現狀和天津大學的相關研究情況。
認知神經科學——學習與記憶
除了電影《盜夢空間》中展現的修改記憶之外，2013年，美國麻省理工大學科學家通過追蹤和觸發與記憶相關的腦細胞，可以讓一隻老鼠體驗另一隻老鼠的記憶。這種研究可能幫助患有抑鬱、創傷後應激反應障礙的人消除痛苦記憶。此外在《神探夏洛克》中，大反派馬格努森擁有無與倫比的記憶力。他能用「記憶宮殿」儲存海量信息。在近年很火爆的節目《最強大腦》中也出現了不少過目不忘的「記憶超人」。這些天才擁有如此傑出記憶力的原因究竟在何處?能不能仿照他們的記憶機制，提升普通人的記憶力？要想回答這些問題，必須先了解學習和記憶的相關機制。
記憶和學習是密不可分的。有人把記憶稱為精神的時間旅行，在回憶過去的時候就好像重新經歷了一次一樣。記憶是將獲取的信息進行編碼、儲存和提取的過程，學習是獲取新信息的過程。
記憶按照信息維持的時間長短分為感覺記憶、工作記憶（短時記憶）和長時記憶三種。感覺記憶信息維持時間是毫秒級或幾秒的，是以記憶痕跡的方式儲存在感覺皮質上的。大家可能都有過這種經歷，上一節枯燥的課，你的思想已經不知飄到了哪個思維宮殿，但是老師還在一直講課。這時，老師注意到你已經走神，可能就會突然提問你，剛才講到哪了？這時我們仍然能夠複述出來。這就是一種典型的聽覺感覺記憶。類似的還有視覺、觸覺等等。
保持時間比感覺記憶長一點的就是短時記憶，能維持幾秒到幾分鐘。它的特點是維持時間短，且容量有限。舉一個簡單的例子，你去參加一個大型學術會議，有人給你介紹一個牛人，然後你要了他的電話號碼，你很努力的記住，並記在手機裡，但是隨後你可能就忘記了。這就是短時記憶，也叫工作記憶，就是為了臨時執行一個任務，進行短暫的信息處理和儲存，就像你的一個便利貼。這個概念擴展了短時記憶的概念，闡明了在那幾秒或幾分鐘的記憶中產生的心理過程。它的容量大約是5-9個組塊（有特殊意義的組合）。這就提示我們：如果想擴展短時記憶的容量，就要努力用已有的信息經驗，擴大組塊的信息容量。一般認為短時記憶的儲存位置在前額葉，但是，由於短時記憶多種多樣，在執行不同的短時記憶時也會激活不同的腦區。
長時記憶是指存儲時間較長的記憶，長短從1天到幾年甚至終生，並且容量不限。它的儲存位置十分複雜，涉及到很多神經環路和腦系統。長時記憶又可以分為陳述性和非陳述性，顧名思義，陳述性記憶就是指那些能夠用語言來描述的記憶，需要意識的參與。陳述性記憶又稱外顯記憶，可分為與個人相關（情節記憶）和與個人無關（語義記憶）兩種。非陳述性記憶又稱為內隱記憶，是無法用語言描述的，並且不需要用意識提取，包括騎自行車、拉小提琴之類的程序性記憶，經典條件反射，之前出現過的物體或者詞語比之前沒有出現過的更容易被我們識別的現象（感知表徵系統中的知覺啟動），習慣化和敏感化等都屬於非陳述性記憶。
學習記憶的細胞學機制
大腦中與記憶相關的系統很多，包括海馬、前額、胼胝體等等。記憶儲存在大腦的系統和環路中。在細胞層次大部分有關記憶細胞基礎的理論認為記憶是在神經網絡中的神經元間的突觸連接強度變化的結果。其中最有名的就是海扁(Hebbian)定律,突觸前神經元向突觸後神經元的持續重複的刺激可以導致突觸傳遞效能的增加。簡單地說，突觸前給的刺激越強，突觸後的反應越大。海扁定律就反映了突觸是具有可塑性的，廣義來說包括發育可塑性、效能可塑性和結構可塑性。海扁定律就反映了突觸是具有可塑性的。廣義來說包括發育可塑性、效能可塑性和結構可塑性。由於海馬在記憶形成中的重要作用，對於突觸可塑性的研究大多都是從對海馬的研究中得出來的。海馬是一個主要負責從短時記憶向長時記憶轉換的結構，它在人出生時並沒有發育完全，因而我們對幼年期的記憶都是朦朦朧朧、支離破碎的。
那麼如何來衡量突觸可塑性呢？突觸可塑性一個最主要的表現形式就是長時程增強和抑制現象，可以通過測量LTP（長時程增強作用，又稱長期增益效應（Long-term potentiation，LTP），是發生在兩個神經元信號傳輸中的一種持久的增強現象，能夠同步刺激兩個神經元）和LTD（長時程壓抑（long-term depression，LTD），指突觸強度的長時程減弱）的變化來反應突觸可塑性的改變。LTP最早也是從海馬中記錄到的。從這張橫截面圖中可以看出海馬的幾個主要的組成部分。這是一個雙C的結構，即藍色C和紅色C,可以分為齒狀回、CA3 區以及CA1區等，這些區域都是由錐體神經元組成的，而其他部位則主要是中間神經元和軸突等等。這些興奮性的神經成分組成了一個信息迴路，就是海馬中信息處理的中心，信息從新皮質的聯合區域投射到內嗅皮層，通過穿通纖維投射到DG區，DG區的顆粒細胞通過苔蘚纖維投射到CA3區神經元，再進一步投射到CA1區，最後信息可以再返回內嗅皮層，也可以直接投射到皮層。這三條突觸通路上都存在LTP現象。以PP-DG為例，刺激穿通纖維會在DG區域記錄到興奮性突觸後電位。當給予一串高頻刺激（一般是100hz）之後，再記錄突觸後電位，會比之前的增大，且能夠維持較長的時間。相反地，LTD的誘導條件是給予低頻刺激（5HZ）。它的分子機制是這樣的：當高頻刺激到來時，會導致突觸前大量的神經遞質穀氨酸釋放，與突觸後膜上的穀氨酸受體結合，從而開放Ca通道，使大量Ca離子進入細胞內。Ca作為細胞內的第二信使，進入細胞後激活一系列的信號途徑，其結果是一方面使得穀氨酸受體磷酸化從而激活更多的受體，另一方面使得胞內游離的受體插入到後膜中，這樣，突觸後膜受體增加，當突觸前產生同樣的刺激時，突觸後的反應就會增強。
認知障礙的機制及康復研究
造成學習與記憶障礙的原因有多種，其中佔比例最大的就是由疾病造成的，特別是神經系統疾病。由於多發於中老年人，因此稱為老年痴呆症。我國已經進入老齡化社會，各種老年疾病將會給我們的社會和家庭帶來沉重的負擔，其中，老年痴呆已上升為常見死亡原因的第4位，僅次於心臟病、腫瘤和腦卒中。
老年痴呆症根據病因的不同可以分為3種。首先就是大名鼎鼎的阿爾茨海默症（AD），約佔40%；其次是由於各種腦血管病導致腦循環障礙後引發的腦功能降低所致的痴呆（VD），約佔老年痴呆總數的一半，主要病因是腦組織供血不足，導致腦組織萎縮、功能全面減退而發生老年痴呆症，如中風後痴呆；最後是由其他原因造成的痴呆，如結核、腦腫瘤、酗酒等。
首先來看阿爾茨海默症。這種疾病最重要的表現就是認知功能的障礙，記憶力、分析思維能力等下降導致生活不能自理，後果是很可怕的。這種疾病現在無法治癒，一旦得上，對一個家庭來說就是一場災難。它是一種原發性退行性變性疾病，發病原因未明，從屍檢結果可以發現，AD病人的腦組織明顯萎縮，重量減輕，腦回變薄，腦溝變寬、變深。主要的病理性變化是可看到腦組織中存在大量的斑塊，為beta澱粉樣蛋白，存在於細胞外，而神經原纖維的纏結是由Tau蛋白造成的，存在於細胞內部。這些東西在大腦中沉積，不易排除，首發於海馬，細胞就會死亡，導致海馬萎縮，伴隨的是記憶功能的缺失；然後進一步擴散到額葉，人們對一些複雜行為的決斷能力就會慢慢喪失；第三步，擴散到頂葉後，人們的空間觀念和情緒會受到影響，接下來傳到枕葉，視覺就會受到影響。病程一般持續8-10年。治療AD目前尚無特效療法，以對症治療為主，包括通過藥物治療改善認知功能及記憶障礙；對症治療改善精神症狀；良好的護理以延緩病情進展。藥物和康復治療以改進認知和記憶功能、保持患者的獨立生活能力、提高生存質量為目的。
血管性痴呆（VD）是指由缺血性卒中、出血性卒中等腦區低灌注的腦血管疾病所導致的嚴重認知功能障礙症候群。我國VD的患病率為1.1%～3.0%，年發病率在5～9/1000人。該病發生在腦血管病後3～6個月以內。VD發生痴呆較突然，伴隨腦血管事件的發生，通常表現為波動性病程或階梯式惡化。VD治療主要包括治療原發性腦血管疾病和腦功能恢復兩方面，其目的是恢復腦血流量，提高氧利用率，恢復神經元功能等，療效及康復可能性相對較好。
目前，藥物治療仍然是認知功能損傷康復的首選方法。楊佳佳在博士期間的主要工作就是探索一種細胞因子VEGF對於血管性痴呆的療效及機制。她們在整體動物實驗中運用雙側頸總動脈結紮的方法造成大鼠腦血流的低灌注，進而造成大鼠認知功能障礙，類似臨床上的VD患者。隨後對大鼠在多個水平上進行認知功能的檢測，包括行為學實驗—Morris水迷宮、細胞水平—LTP記錄、組織水平進行神經元染色的觀察、分子蛋白水平進行蛋白定位和含量的觀察，以及在神經網絡水平進行神經節律振蕩的非線性動力學特徵分析。為進一步確定海馬缺血在突觸傳遞中的改變，她還進行了離體海馬腦片膜片鉗實驗，同時結合形態學細胞死亡的觀察。
水迷宮是測試大鼠空間學習記憶能力的經典方法，它利用的是大鼠會遊泳但又討厭水的特性。水迷宮系統包括三部分，首先是測試區域，一個圓形水缸裡面有一個低於水平面的平臺，實驗時將水染黑，大鼠看不到水下的平臺；第二部分是數據採集系統、攝像頭，能夠追蹤和記錄大鼠的運動軌跡；第三部分是數據採集和處理軟體。實驗共分為兩個階段。第一階段是定位航行實驗，也就是學習階段，進行五天，每天兩次。我們將水缸人為地分為四個象限，讓大鼠分別從四個象限開始遊泳，然後記錄其找到平臺的時間，即逃避潛伏期。隨著訓練天數的增加，大鼠找到平臺的時間越來越短，說明大鼠已經記住平臺的位置。在第二階段，也就是測試記憶的階段，將平臺撤走，觀察大鼠遊過目標象限的百分比。實驗結果發現，缺血組大鼠的學習能力減弱，空間記憶功能降低；而缺血+VEGF組學習能力與空間記憶能力更接近假手術組，從而說明VEGF能改善這種空間記憶的損傷。
第二個指標是突觸可塑性的指標，通過記錄海馬CA3-CA1腦區的LTP，分析突觸後電位的增強情況。第三個組織病理學指標觀察的是海馬錐體神經元的形態以及存活情況。運用HE染色，可以看到缺血組大鼠海馬CA1區神經元出現了皺縮、排列鬆散等變化，說明神經元存在大量死亡。在離體腦片的實驗中，她們採用碘化屏定螢光染色，螢光強度越強說明死亡的細胞越多。
而在神經網絡層面的電信號變化，她們是通過兩個腦區的局部場電位LFP的振蕩節律來表徵。神經元間通過突觸相互聯繫形成複雜的神經網絡，而局部場電位LFP振蕩節律主要就是由突觸傳遞產生的突觸後反應的總和。與腦電一樣，根據其LFP振蕩頻率的不同，可以分為delta，theta，alpha，beta及gamma五個節律。其中，theta節律和gamma節律被認為與認知功能最為相關，因此通過神經計算的方法可以分析出兩個腦區間節律耦合情況的改變，進而在神經網絡層面對認知功能的機制進行探討。
在離體實驗中，她們使用的是經典的腦片膜片鉗進行單細胞全細胞記錄，觀察神經元興奮性以及突觸傳遞情況的變化。通過對腦片進行糖氧剝奪的方式建立缺血模型。如圖所示，先在正常腦脊液中進行膜電位的記錄，然後進行10min的糖氧剝奪OGD，在此期間，細胞會出現一系列電變化，包括膜電位和動作電位的方法頻率，這兩者都體現了細胞興奮性的變化。
除了神經元的興奮性，實驗還可以對突觸傳遞進行測量，記錄的指標是自發興奮性突觸後電流。突觸傳遞的測量方法有多種，一般分為誘發和自發。誘發是指在特定的突觸通路上，運用刺激電極給予刺激，然後記錄突觸後神經元上的反應電流或者電壓，例如典型的Eepsc --給予幹預因素後，電流的幅值會發生改變。另外一種就是自發，指不給予外界電刺激，記錄自發的突觸後反應電流。這種自發突觸後電流的發放是隨機的，可統計的指標包括在一定時間內發放的頻率以及電流的幅值，統計分析時需做概率分布統計。一般情況下，頻率的改變主要是受突觸前神經遞質釋放概率的影響，被認為是突觸前因素；而幅值的改變反映了突觸後受體蛋白的量子反應，幅值增大，代表突觸後受體蛋白的反應性增強，例如我們之前提到的受體被磷酸化激活，或者受體含量增多，因此，被認為是突觸後因素。通過這種離體的突觸傳遞測量。我們可以通過對突觸傳遞的測量初步確定突觸傳遞的改變機制。
總結起來，在博士階段的實驗中，楊佳佳從分子、細胞、網絡以及整體腦功能也就是行為學等各個層面上對認知功能障礙的機制進行了研究。在進入天津大學精儀學院工作並加入明東教授的團隊以後，楊佳佳的研究興趣轉變為如何利用神經工程學的技術和方法對神經系統疾病進行治療和康復，特別是在其神經生物學機制的探討上。例如，運用各種物理療法治療神經系統疾病，如重複經顱磁刺激、極低頻脈衝磁場，這種方法已經廣泛地應用於臨床治療精神類疾病，如精神分裂、抑鬱症等等。還有「神工一號」、「神工二號」，運用運動想像療法和肌肉電刺激相結合的方法，在臨床實驗中取得了良好的效果，目前正在進行推廣。「神工一號」系統能夠在康復訓練的同時，促進患者受損腦區功能恢復以及體內神經通路的修復和重建。此外，團隊還在研究一種極低頻低強度的脈衝磁場，這種磁場會引發大腦產生諧振效應，從而發揮治療效果，目前來看有良好的應用前景。楊佳佳表示，這些方法有的已經在臨床使用，並展現出良好的臨床效果，但它們的機制還需要進一步深入研究，團隊將為此不懈努力。
楊佳佳簡介:
楊佳佳,天津大學神經工程與康復實驗室講師，博士，2014年畢業於南開大學生命科學學院。研究方向包括神經生理、神經病理及康復，特別是與神經系統重大疾病（阿爾茨海默、腦卒中、癲癇等）相關的神經生理病理機制及新藥物保護機制的研究。目前主持一項國家自然科學青年基金項目（31500865）以及一項橫向課題（「神工一號」意念控制機器人神經康復訓練系統研究」）。並參與國家自然科學基金項目、973 項目、天津市自然科學基金項目等多項。2008年至今共發表論文20 餘篇，其中以第一作者或共同一作或通訊作者發表SCI 論文11 篇，EI 收錄論文1 篇。
（編輯 王濤）