Only Perception: CMU 研究者確認長期學習的新機制

2008-01-04

CMU 研究者確認長期學習的新機制

Novel mechanism for long-term learning identified by Carnegie Mellon researchers
http://www.physorg.com/news118592975.html

January 03, 2008

「熟能生巧（Practice makes perfect）」 -- 至少當我們與九九乘法表、得分射門與鋼琴音階奮戰時，會這麼說 -- 而那看起來，基於許多個人的體驗，像是真的。這就是為何神經科學家會因這些資料而顯得茫然不知所措。這些資料顯示當個人突觸（synapses）的程度（level）增加時，反覆的刺激事實上會逆轉突觸加強時的初期獲益。現在來自於卡內基美隆大學（CMU）與（德國） Max Planck 研究所的神經科學家發現某種機制，解決了這種顯而易見的悖論。這項發現發表在 1/4 當期 Science 上。

這個機制更進一步解釋，在回應新體驗時腦部的突觸如何強化。先前由卡內基美隆研究者與此研究第一作者 Alison Barth 所完成的研究證實，在突觸可塑性（變化）與學習、記憶之間有所關連。然而，對於發生在較長一段時間上，經由持續訓練或練習的學習而言，構成該機制的基礎卻所知不多。

科學家已證明，在此機制中，N-methyl-D-aspartate（NMDA, N-甲基-D-天門冬氨酸）受體對於初始化（initiate）突觸的可塑性是必需的，這個事實適用於腦部許多區域。事實上，目前已愈來愈清楚，這些受體為學習期間所發生的這一類突觸強化所需。

Barth 等人發現 NMDA 受體在學習的初始階段後，經歷了類似於雙重人格（Jekyll-and-Hyde）般的轉變。那不是讓突觸變得更加強健，相反地，它們事實上削弱了突觸，並減少更進一步的學習。根據 Barth，科學家知道那符合邏輯，在一次初始或訓練經驗後，這種受體功能的改變與突觸退化的結果，意味著學習將停止，且若持續刺激下去，神經的過程（neural processes）或許會更加惡化 -- 但經驗卻顯示，並不是那麼一回事。

"我們直覺地知道，當我們愈練習某件事，我們會變得更好，所以在 NMDA 受體切換功能後，必定有某些事情發生，能夠幫助突觸繼續強化，" Barth 說，CMU 科學學院生物科學助教授。

Barth 選擇觀察皮層（cortex），這一區的腦部負責一種緩慢形式的學習，那能透過額外的訓練（或體驗）來改善。她注意到這個腦部區域所使用的分子機制，與其他短期的、不連貫的記憶（如同那些會發生在海馬迴的），相當不同。

在一系列的實驗中，研究者阻斷不同受體，包括 NMDA，以觀察受體在長期神經刺激上的效應。她們發現，雖然 NMDA 受體為初始神經強化所需，但是有居次的神經傳導素受體 -- 代謝型麩胺酸受體（metabotropic glutamate (mGlu) receptor）-- 在細胞學習的第一階段之後開始起作用。在可塑性初始之後利用 NMDA 拮抗劑來阻斷 NMDA 受體，會導致加強的突觸強化，然而阻斷 mGlu 受體，將導致強化停止。

卡內基美隆研究者利用 Barth 所創造的轉殖（transgenic）老鼠模型在神經元裡追蹤這些改變。在此模型中一種輕微的感覺不平衡被創造出來，讓老鼠只透過一根觸鬚感知其周遭。觸鬚很適合研究感覺的可塑性，因為，如同人類的手指，每根觸鬚都連結到它自己在腦皮層中的獨特區域，使監控活動與改變變得很容易。限制老鼠只透過一根觸鬚感知其周遭，可引起一種感覺的不平衡，致使皮層中的可塑性增加。

"對於學習與記憶的神經機制的了解仍相當貧乏，" Barth 說。"建立起 NMDA 與 mGlu 受體之間的關係，將讓我們更了解我們如何學習，或許還能幫助我們更了解，如同阿滋海默症那樣，喪失學習與記憶的疾病。"

※ 相關報導：

＊ Ongoing in Vivo Experience Triggers Synaptic Metaplasticity in the Neocortex
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/319/5859/101