①这两个概念在第16章还会讲到，从图16-1可以得到直观认识。.3
基因根据需要打开和关闭，以实现细胞最佳的功能运作。有些基因在该有机体一生的大部分时间都受到抑制；另外一些基因，比如参与产生能量的基因，则总是在表达，因为它们编码的蛋白质是生存所必需的。但在每一类细胞中，都会有些基因只在特定时间表达，而另外一些基因则在对来自身体内部或环境的信号做出反应时被打开或者关闭。有一天晚上，我突然灵光一现：学习不就是一组来自环境的感觉信号么！是感觉信号的不同类型或模式导致了不同形式的学习。
哪一类信号调控基因的活动？基因是如何被打开和关闭的？雅各布和莫诺在细菌中发现，一些基因是通过其他基因来开关的。这使得他们对效应基因与调控基因做出了区分。效应基因编码介导特定细胞功能的效应蛋白，比如酶和离子通道。调控基因编码被称作基因调控蛋白的蛋白质，它们控制效应基因的开关。雅各布和莫诺进而问道：调控基因编码的蛋白质如何作用于效应基因呢？他们假定每个效应基因的DNA中除了编码特定蛋白质的编码区，还有控制区，这一特异性位点现在称作启动子。调控蛋白与效应位点的启动子结合，决定效应基因接下来是被打开还是关闭。
在一个效应基因能够被打开之前，调控蛋白必须结合到它的启动子上，使DNA的两条链分开。接下来，暴露在外的一条链被信使RNA以转录的方式进行复制，信使RNA携带着有关蛋白质合成的基因指令从细胞核转移到细胞质中，在这里核糖体将信使RNA的信息翻译成蛋白质。一旦基因得到了表达，DNA的两条链就会再次合上，这个基因就关闭了，直到下一次调控蛋白开启转录过程。
雅各布和莫诺不仅提出了基因调控的理论，他们还发现了首个基因转录的调控子。这些调控子有两种形式—阻遏子和后来发现的激活子④，前者编码的调控蛋白用于关闭基因，而后者编码的调控蛋白用于打开基因。通过绝妙的推理和富有洞见的遗传学实验，雅各布和莫诺发现，当大肠杆菌的食物（乳糖）供给充足时，这种细菌会打开一个基因，生成酶来分解消耗乳糖。当没有乳糖存在时，生成这种消化酶的基因会被关闭。这是怎么发生的？
这两位科学家发现，在缺乏乳糖时，阻遏基因编码的蛋白质会结合到生成这种消化酶的基因的启动子上，阻止该基因的DNA转录。当他们重新向细菌生长的培养基中输入乳糖后，乳糖进入细胞并绑到阻遏蛋白上，使它们从启动子上脱落。然后启动子自由地与激活基因编码的蛋白质结合。激活蛋白打开效应基因，生成代谢乳糖的酶。
这些研究表明，大肠杆菌通过调整特定基因的转录速率来对环境线索做出反应。后续研究揭示出，当细菌发现自身处于低浓度葡萄糖中时，它通过合成环腺苷酸来做出反应，环腺苷酸会启动一个进程，促使细菌去消化一种替代性的糖类。
基因功能能够受到细胞外（比如不同糖类）和细胞内（第二信使信号比如环腺苷酸）的信号传导分子调控以响应环境需要，这一发现对我而言是革命性的。它使得我用分子术语重新表述了短时记忆如何转化为长时记忆的问题。现在我要问：对特定形式的学习，也就是说，对来自环境的线索做出反应的调控基因的本质是什么？这些调控基因如何把对特定短时记忆至关重要的短时突触变化转为对特定长时记忆至关重要的长时突触变化？
我们对无脊椎动物的研究，以及一些对脊椎动物的研究，已经证明了长时记忆需要合成新蛋白质，这表明记忆存储的机制很可能在所有动物中都非常相似。此外，克雷格·贝利已经做出了一个非凡的发现，即海兔长时记忆的持续是由于感觉神经元长出新的轴突终端，增强了它们与运动神经元的突触连接。然而，到底是什么引起了向长时记忆的转换，这一点仍然是个谜。是不是引起长时敏感化的学习模式激活了某种调控基因，并通过这些基因编码的蛋白质促进了效应基因指挥新轴突终端的形成呢？
通过研究培养基中的活体感觉与运动细胞，我们已经对行为系统做出了充分的简化，有条件解决上述问题了。我们已经在仅仅两个细胞之间的突触连接中定位到了长时记忆的一个关键成分。现在我们能够运用DNA重组技术来探讨：是不是调控基因开启并保持了这一连接的长时增强⑤？
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大约就在这个时候，我的工作开始得到正式的认可。1983年，我与弗农·蒙特卡斯尔分享了美国最重要的科学成就奖—拉斯克基础医学研究奖⑥。我还从纽约的犹太教神学院获得了我的第一个荣誉学位。他们竟然也知道我的工作，这让我感到激动万分。我猜想他们是从我的同事莫蒂默·奥斯托那里听说的，他是当年让我对精神分析和大脑产生兴趣的那几位精神分析师中的一员。
那时我的父亲已经去世，但我的母亲前来参加了学位典礼。神学院校监格尔森·D.科恩介绍我时，特别提到我曾在弗莱布许犹太小学接受了良好的希伯来语教育，这一赞许让我妈妈的犹太心充满了自豪。我想对她而言，她的父亲、我的外公认真教我希伯来语一事所得到的认可，可能要比几个月后的拉斯克奖分量重得多。
①值得一提的是，琳达在加入阿克塞尔实验室后，也曾到坎德尔实验室学习并研究过海兔。另外，此处时间有误，根据第29章的作者叙述，应为10月4日。
②即对塞缪尔·沙克的昵称。
③他们因本章所讲的贡献与阐明病毒感染细菌机制的安德列·利沃夫（André Lwoff）分享了1965年诺贝尔生理学或医学奖。
④在基因调控研究中，调控子、阻遏子和激活子通常是指基因编码的蛋白质（下文统称“某某蛋白”），而不是指编码相应蛋白质的基因（下文统称“某某基因”），作者此处使用有误。
⑤长时增强（long-term strengthening）与从第20章起提出的长时程增强（long-term potentiation）字面意思相同，但后者是针对哺乳动物的专用术语，含义也有差异，故在翻译上略作区分。
⑥拉斯克奖被誉为美国的诺贝尔奖，但只针对医学领域，包括基础、临床、公共服务和特别成就奖4项。有大约一半的基础医学研究奖得主随后（个别是在之前）获得了诺贝尔奖。
19 基因与突触的对话
1985年，在对调控基因表达的蛋白质进行了几个月的思索之后，我终于开始把自己从这一夜科学中获得的洞见运用到了研究基因表达和长时记忆的日科学中。这一想法在菲利普·戈莱特来到哥大后变得更加清晰了。戈莱特是跟随西德尼·布伦纳在英国剑桥的医学研究委员会实验室接受训练的博士后学生。我们共同做出了如下推理：要形成长时记忆，新信息需要得到编码，进而巩固成更持久的存储。长时记忆需要生成新的突触连接这一发现，让我们对这一更持久的存储形式产生了一些洞见。但我们仍然不知道这中间的分子遗传学步骤—记忆巩固的本质。一个稍纵即逝的短时记忆是如何转化为经年累月的长时记忆的？
在雅各布–莫诺模型中，来自细胞外部环境的信号激活基因调控蛋白，后者打开编码特定蛋白质的基因。这让戈莱特和我想到，在敏感化形成长时记忆的关键步骤中，是否有类似的信号和基因调控蛋白的参与。我们在想，形成敏感化所需的重复学习序列之所以重要，可能在于它们发送信号到细胞核，告知细胞核激活调控基因，后者编码调控蛋白进而打开新突触连接生长所需的效应基因。如果是这样，那么记忆的巩固阶段可能就是中间步骤，在此期间调控蛋白打开了效应基因。我们的想法为一个发现提供了遗传学解释，这一发现是，在学习期间及随后，也即在关键期阻断新蛋白质的合成会阻断新突触连接的生长以及短时记忆向长时记忆的转化。我们推测，在阻断蛋白质合成时，我们实际上阻止了开启蛋白质合成的基因的表达，而蛋白质合成正是突触生长和长时记忆存储所必需的。
我们在1986年发表于《自然》的概念性综述《长时记忆的长与短》中总结了我们的观点。在这篇论文中我们提出，如果基因表达是一个突触上的短时记忆转化为长时记忆所必需的，那么被学习所刺激的突触必须以某种方式发送信号到细胞核，来告诉细胞核打开某种调控基因。在短时记忆中，突触使用细胞内的环腺苷酸和蛋白激酶A来增强神经递质的释放。戈莱特和我假设在长时记忆中，这种激酶从突触转移到了细胞核，在那里它以某种方式激活了对基因表达进行调控的蛋白质。
为了检验我们的假设，我们需要鉴定出突触发送给细胞核的信号，找出该信号激活的调控基因，然后鉴定出调控蛋白打开的效应基因，也就是导致长时记忆存储中的新突触生长的基因。
我们已经在组织培养中创建的简化神经环路—单个感觉神经元与单个运动神经元相连—给我们提供了一个可以用来检验这些想法的完整生物系统。在我们的培养皿中，血清素扮演了敏感化引发的警觉信号。一次脉冲—等价于一次电击、一个训练试次—让细胞警觉到这个刺激是短暂的影响，而五次脉冲—等价于五个训练试次—意味着一个影响持久的刺激。我们发现，向感觉神经元注入高浓度的环腺苷酸，导致的不仅是突触强度的短时增加，还会导致长时增加。现在我们与加州大学圣迭戈分校的钱永健①合作，他开发的一种方法使得神经元中的环腺苷酸和蛋白激酶A的位置可视化。我们发现，血清素的单次脉冲主要增加了突触中的环腺苷酸和蛋白激酶A，而血清素的重复脉冲则产生了更高浓度的环腺苷酸，导致蛋白激酶A移动到细胞核并在那里激活基因。后续研究发现，蛋白激酶A招募了另外一种激酶（称作MAP激酶），后者也与突触生长有关，同样会移动到细胞核。因此我们确证了之前的想法，即“熟能生巧”的重复敏感化训练的功能之一，是让适当的信号以激酶形式移动到细胞核。
一旦进入了细胞核，这些激酶会做什么？我们从最近发表的关于非神经元细胞的研究中知道，蛋白激酶A能够激活一种称作CREB（环腺苷酸反应元件结合蛋白）的调控蛋白，它会与一个启动子（即环腺苷酸反应元件）结合。这表明CREB可能是将突触连接的短时程易化转成长时程易化并生出新连接的开关的关键成分。
1990年，另外两位博士后学生普拉莫德·戴什和本杰明·霍奇纳也加入了我们的团队，我们在海兔的感觉神经元中发现了CREB，它确实是敏感化中突触连接的长时增强所必需的。通过在培养基中阻断感觉神经元细胞核内的CREB发挥作用，我们就阻止了这些突触连接的长时增强，但并没有阻止它们的短时增强。这是一个惊人的发现：阻断这一个调控蛋白就阻止了长时突触变化的全过程！富有创造力且技术过硬的优秀博士后研究员杜尚·巴奇后来发现，仅仅是向感觉神经元的细胞核注入被蛋白激酶A磷酸化的CREB，就足以打开导致突触连接长时程易化的基因。
于是，即便长期以来我受到的教育都在说大脑的基因是行为的统帅、我们命运的唯一主宰，但我们的工作表明，脑中的基因和细菌中的一样，都是环境的仆人，受到外部世界的事件引导。一个环境刺激—对动物尾部的电击—激活调节性中间神经元释放血清素。血清素作用于感觉神经元，增加环腺苷酸并使得蛋白激酶A和MAP激酶移动到细胞核激活CREB。CREB的激活又导致了基因表达，改变了细胞的功能和结构。
1995年，巴奇发现实际上存在两种形式的CREB蛋白，正如雅各布和莫诺的模型所预测的：一种激活基因表达（CREB-1），另一种抑制基因表达（CREB-2）。重复的刺激使得蛋白激酶A和MAP激酶移动到细胞核，在这里蛋白激酶A激活CREB-1、MAP激酶使CREB-2失活。因此，突触连接的长时程易化不仅需要打开一些基因，还需要关闭另外一些基因（图19-1）。
图19-1 短时和长时程易化的分子机制。
在实验室做出了这些令人兴奋的发现后，有两点让我震撼。第一，我们看到基因调控的雅各布–莫诺模型适用于记忆存储过程。第二，我们看到谢林顿发现的神经元的整合活动在细胞核水平发生了。我对下述平行过程感到惊讶：在细胞水平，兴奋性和抑制性突触信号在神经细胞中聚集；在分子水平，一种CREB调控蛋白促进了基因表达而另一种抑制了它。两种CREB调控蛋白将相反的作用整合在一起。
实际上，两种CREB彼此对抗的调控作用为记忆存储提供了一个阈限，确保只有重要的、对生活有帮助的经验得到学习。对海兔而言，对尾部的重复电击是一个重要的学习经验，正如对我们而言，练习弹钢琴或法语的动词变位很重要一样：熟能生巧，重复是长时记忆所必需的。不过原则上说，一个高度情绪化的状态，比如车祸引发的状态，也能够绕开常规限制进入长时记忆。在这种情况下，大量的MAP激酶分子会被足够快速地运送到细胞核，让所有的CREB-2分子失活，使得蛋白激酶A更容易激活CREB-1并将这一经验直接转入长时记忆。这可能是所谓闪光灯记忆的原理，它让人栩栩如生地回忆起充满情绪性记忆的事件—比如我与米琪的性体验—就像一幅完整的画面迅速且强力地刻入了脑海中。
类似地，有些人展现出的超人记忆力可能源于CREB-2的基因差异，这种差异限制了与CREB-1相关的CREB-2阻遏蛋白的活力。虽然长时记忆通常需要重复，需要在训练间隔中插入休息，但有时它只需要一次训练就会发生，而且不是由于情绪所致。著名俄国记忆师S.V.舍雷舍夫斯基就非常擅长单试次学习，他似乎从来不会忘记他通过仅仅一次训练习得的任何事情，即便是在10年之后。通常，记忆师拥有的能力限制颇多：他们可能只对某几种知识具有超人的记忆力。有些人对视觉表象、乐谱、国际象棋、诗歌或面孔有着惊人的记忆力。一些来自波兰的《塔木德》记忆师能通过视觉记忆回忆出12卷的巴比伦版《塔木德》每一页上的每一个单词，犹如（从数千页中）翻出的那一页就摆在他们眼前。
相反，年龄增长带来的失忆（良性老年性健忘症）的特征则是无法巩固长时记忆。老化带来的这一缺陷，可能不仅反映了激活CREB-1能力的下降，还反映了没有足够的信号来消除记忆巩固时CREB-2所起的抑制作用。
和短时记忆的细胞机制一样，作为长时记忆开关的CREB，被证明在若干种动物中都一样，这表明它在进化过程中是保守的。1993年，位于纽约长岛的冷泉港实验室的行为遗传学家蒂姆·塔利设计了一种优雅的实验方法，用来测试果蝇习得性恐惧的长时记忆。1995年，塔利与分子遗传学家殷起平联手，他们发现CREB蛋白是果蝇的长时记忆所必需的。和在海兔中一样，CREB激活蛋白和阻遏蛋白扮演了关键角色。CREB阻遏蛋白阻断短时记忆转化为长时记忆。更引人注意的是，他们用基因突变技术培养出了一种果蝇，能生成更多CREB激活蛋白的拷贝，形成类似闪光灯记忆的效果。在正常果蝇中，一种特殊气味与电击配对几次只会产生对这种气味的短时恐惧记忆，但在对突变体果蝇进行实验时，同样次数的配对导致了长时恐惧记忆。后来我们逐渐意识到，同样的CREB开关对从蜜蜂到小鼠到人类等其他物种的多种形式的内隐记忆都很重要。
由此，通过将行为学分析先是与细胞神经科学、接着又与分子生物学结合，我们共同奠定了基本心理过程的分子生物学基础。
将短时记忆转化为长时记忆的开关在各种学习简单任务的简单动物中都是一样的，这一事实令人振奋，确证了我们认为记忆存储的核心机制在不同物种中是保守的这一信念。但它给神经元的细胞生物学提出了一个值得注意的问题。单个感觉神经元有1200个突触终端并与25个靶细胞进行联系：鳃运动神经元、虹吸管运动神经元、喷墨运动神经元以及兴奋性和抑制性中间神经元。我们已经发现，短时变化只发生于其中的部分突触。这是有意义的，因为一次尾部电击或一次血清素脉冲只在局部特定的一些突触增加了环腺苷酸的量。但长时突触变化需要基因转录，这发生在细胞核并导致了新蛋白质的合成。有人会期待新合成的蛋白质被运送到所有的神经元突触终端。那么，除非细胞中存在一些特殊机制来限制特定突触的变化，不然所有的神经元突触终端都会受到长时程易化的影响。如果真的是这样，则每个长时变化都会存储在神经元的所有突触中。这就造成了一个悖论：长时学习和记忆过程怎样才能局限在特定突触中呢？
戈莱特和我认真思考了这一问题，并在我们1986年发表于《自然》的综述中提出了一个方案，这个方案后来被称作“突触标记”。我们假设短时记忆引起的一个给定突触的短暂修饰会以某种方式在那个突触上做出标记。这些标记使得突触可以识别蛋白质并将其留在这里。
细胞如何把蛋白质运送到特定突触？这个问题由凯尔西·马丁来解决再合适不过，她是一个极具天赋的细胞生物学家，在耶鲁获得了医学和哲学双博士学位。她曾就读于哈佛学院，毕业后和丈夫一起加入了和平队并赴非洲工作。当他们来到哥大时，已经有了一个儿子，名叫本。她在我们实验室时，又添了一个女儿，名叫玛雅。凯尔西在我们实验室是一个特别的存在，她不仅具备一流的科研能力和技术，而且她每天下午4点到6点都会把我们小小的会议室兼午餐间变成天才儿童的欢乐幼儿园，振奋我们所有人的精神。
将蛋白激酶A追踪到细胞核和发现细胞核中的CREB调控蛋白这两项成就，使我们的关注点沿着一条分子通路，从突触来到了细胞核。现在我们必须再沿着原路走回去。凯尔西和我需要探索的是，在单个感觉细胞中受到刺激因而正在发生长时结构性变化的突触与未受到刺激的突触有何区别。我们开发了一个优雅的新细胞培养系统来进行此项研究。
我们培养了一个具有分枝轴突的感觉神经元，它与两个独立运动神经元分别形成突触连接。像以前那样，我们通过施加血清素脉冲来模拟行为训练，只不过现在我们会选择性地把它们施加到其中一个或者另外一个突触连接上。正如我们所料，向一个突触施加单次血清素脉冲只会在这个突触中引发短时程易化。然而向一个突触中施加五次血清素脉冲则会引发受刺激突触的长时程易化和新突触终端的生长。这个结果令人惊讶，因为长时程易化和生长需要CREB激活基因，这一过程发生在细胞核内，理论上应该会影响这个细胞的所有突触。当凯尔西阻断细胞核中CREB的活动后，受刺激突触的易化和生长就都受到了抑制（图19-2）。
图19-2 研究血清素在突触变化中的作用的系统。一个具有分枝轴突的感觉神经元（上图中的SN）与两个运动神经元（MN）形成突触连接。只施加血清素到其中一个突触。只有这个突触发生了短时和长时变化。（承蒙凯尔西·马丁惠允）
这一发现让我们对脑的计算能力刮目相看。它表明即使一个神经元会与不同靶细胞形成上千个突触连接，单个突触还是能够在长时记忆及短时记忆中独立受到修饰。突触长时作用的独立性赋予了神经元非凡的计算灵活性。
这一惊人的选择性背后的原理是什么呢？我们考虑了两种可能：是神经元只向被标记了用于长时记忆存储的突触运送信使RNA和蛋白质？还是信使RNA和蛋白质被运送到了神经元的所有突触，但只有被标记的突触能够利用它们进行生长？我们首先开始检验第二个假设，因为它很容易探索。
“标记生长”这一过程是怎么实现的呢？凯尔西发现有两个事件必然会在被标记的突触中发生。第一件事是蛋白激酶A的激活。如果蛋白激酶A没有在这个突触中激活，就不会有易化发生。第二件事是调控局部蛋白质合成的装置的激活。这是一个非常令人惊讶的发现，它使我们把目光重新投向了神经细胞生物学中一个迷人的领域，在此之前该领域尚未得到充分重视，因而在很大程度上被忽略了。20世纪80年代早期，现在任教于加州大学尔湾分校的奥斯瓦德·斯图尔德发现，虽然大部分蛋白质合成发生在神经元的胞体中，但突触本身也会在局部合成一些蛋白质。
现在我们的研究发现，局部蛋白质合成的一个功能是维持突触连接的长时增强。当我们抑制了一个突触的局部蛋白质合成后，借助从胞体运送到突触的蛋白质，长时程易化过程仍会开启，也会长出新的终端。不过这一新生长只能维持一天左右。因此，胞体合成并运送到终端的蛋白质足以开启突触生长，但要想维持这一生长，局部的蛋白质合成是必需的（图19-3）。
图19-3 长时变化的两种机制。新蛋白质运送到所有的突触（上图），但只有受到血清素刺激的突触利用它们来开启新轴突终端的生长。维持这一通过基因表达开启的生长则需要局部的蛋白质合成（下图）。
这些发现增进了我们对长时记忆的认识。它们表明有两种独立的机制在运作。一种机制通过运送蛋白激酶A到细胞核中激活CREB，打开效应基因，编码新突触连接生长所需的蛋白质，从而开启长时程突触易化。另一种机制通过维持新生成的突触终端来让记忆永久存储，它需要局部的蛋白质合成。由此我们认识到，开启和维持是两个独立的过程。那第二个机制是如何运作的呢？
就在这个时候，1999年，一位极具原创性、做事有效率的科学家考斯克·司加入了我们的实验室。考斯克来自印度的一个小城，他的父亲是当地的高中老师。当考斯克的父亲意识到考斯克对生物学感兴趣时，他请了一位同事、当地的生物老师来指导他的孩子。这位生物老师教给考斯克很多知识并让他对遗传机制产生了兴趣。这位老师还鼓励考斯克去美国读生物学研究生，这使得他最终来到哥大，成了我的博士后。
考斯克读博士时研究的是酵母的蛋白质合成，来到哥大后，他开始思考海兔的局部蛋白质合成这一问题。我们知道信使RNA分子在细胞核中被合成，并在特定突触被翻译成蛋白质。于是问题是这样的：信使RNA被运送到终端时是处于激活状态吗？还是说它是以休眠态运送的，像睡美人那样，在被标记的突触中等待白马王子（某种分子）的亲吻？
考斯克青睐睡美人假说。他认为休眠的信使RNA分子只有在到达一个合适的被标记突触并遇到一个特定信号后才会激活。他指出在青蛙的发育中存在着与此类似的调控现象。当蛙卵受精并成熟后，休眠的信使RNA分子被一种调控局部蛋白质合成的新蛋白质唤醒并激活。这种蛋白质叫作CPEB（胞质型多聚腺苷酸化原件结合蛋白）。
随着我们在记忆分子机制的迷宫中探索的深入，考斯克发现海兔体内的一种新型CPEB正是我们寻找的白马王子。这个分子只在神经系统中出现，存在于神经元的所有突触中，能被血清素激活，是被激活的突触维持蛋白质合成和新突触终端的生长所必需的。但考斯克的发现仅仅把问题向前推了一步。大部分蛋白质在数小时内都会降解消失。靠什么来维持更长时间的突触生长呢？是什么让我对米琪的记忆保持了一生？
当考斯克仔细检查这种新CPEB的氨基酸序列时，他注意到一种很不寻常的情况。这种蛋白质的一个末端具有朊病毒的全部特征。
朊病毒可能是现代生物学中已知最怪异的蛋白质，最初是由加州大学旧金山分校的斯坦利·普鲁西纳发现的。它们是若干谜团未解的神经退行性疾病的致病因子，比如家畜的疯牛病（牛脑海绵状病）和人类的克雅二氏病（这种病在2002年夺走了欧文·库普费尔曼的宝贵生命，当时正值其科学事业的全盛时期）。朊病毒与其他蛋白质的不同之处是，它们能够折叠成两种不同的功能性形状，或曰构象。其中一种是显性的，另一种是隐性的。编码朊病毒的基因产生并不致病的隐性构象，但隐性构象能够转化为显性构象：这一过程可能是随机发生的，欧文的情况似乎就是这种；也可能是因为吃的食物里含有这种蛋白质的显性构象。在显性构象时，朊病毒能够导致其他细胞死亡。朊病毒不同于其他蛋白质的第二点在于其显性构象可以不断自行复制，它还使得隐性构象改变其形状，变成可以不断自行复制的显性构象（图19-4）。
图19-4 长时记忆和类似朊病毒的CPEB蛋白。作为之前刺激的结果，感觉神经元的细胞核把休眠的信使RNA（mRNA）运送到所有的轴突终端（1）。血清素的5次脉冲将所有终端中都存在的类似朊病毒的一种蛋白质（CPEB）在受刺激终端转化为不断自行复制的显性构象（2）。显性CPEB能够把隐性CPEB转为显性构象（3）。显性CPEB激活休眠的信使RNA（4）。激活的信使RNA调控新突触终端的蛋白质合成，使新突触稳固，让记忆永存。
我记得那是2001年春天，纽约的一个美妙午后，我办公室窗外的哈德逊河上波光粼粼，这时考斯克走进来问道：“如果我告诉你CPEB的性质和朊病毒很类似，你会怎么说？”
这是一个疯狂的想法！但如果它是真的，就解释了长时记忆如何得以在突触中无限期地保持，即便蛋白质在不断降解和更替。显然，一个自行复制的分子能够在突触中无限期地持续，调控局部蛋白质的合成以维持新突触终端的生长。
在那些反复思考长时记忆的深夜里，朊病毒可能以某种方式参与长时记忆存储这一念头曾在我的脑海中一闪而过。而且我对普鲁西纳有关朊病毒及其疾病的突破性工作是熟悉的，他因这些贡献获得了1997年的诺贝尔生理学或医学奖。因此，尽管我从未预料到这种新型CPEB可能是朊病毒，当考斯克提出这一想法时，我立刻就觉得这是个很值得探索的思路。
朊病毒是酵母研究中的一个主要领域，但之前还没有人鉴定出它们的正常功能，直到考斯克在神经元中发现了这种新型CPEB。因此，他的发现不仅为学习与记忆提供了深入的新洞见，而且还开辟了生物学的新天地。很快我们发现在缩鳃反射的感觉神经元中，CPEB从无活性、不繁殖状态向活性、繁殖状态的转化，是由血清素控制的，而这种递质正是短时记忆转化为长时记忆所必需的（图19-4）。通过它的不断自行复制，CPEB维持了局部蛋白质的合成。而且，这一自行复制状态很难逆转。
以上两个特征让这一新发现的朊病毒变种成为记忆存储的理想工具。考斯克发现，蛋白质的不断自行复制对局部蛋白质的合成至关重要，它使得信息被选择性和永久性地存储在某个突触，而不会存储在神经元与其靶细胞形成的许多其他突触中。
除了发现这种朊病毒与记忆保持甚至与脑功能相关，考斯克和我还新发现了朊病毒的两个生物学特征。第一，血清素这一常规的生理信号对CPEB从一种构象转为另一种构象至关重要。第二，CPEB的显性构象是已知的首个服务于一项生理功能的朊病毒，具体来说是维持突触易化和记忆存储。而在之前研究过的所有其他情况中，这一不断自我复制的构象要么通过杀死神经细胞导致疾病和死亡，要么没有活性（这种情况较为少见）。
我们相信考斯克的发现可能只是一个新的生物学领域的冰山一角。原则上说，这一机制—激活一个蛋白质的非遗传性、不断自行复制的功能—应该在许多其他生物学环境中也起作用，包括发育和基因转录。
我们实验室这一激动人心的发现表明，基础科学也能够像一本优秀的悬疑小说那样充满出人意料的曲折情节：一些惊人的新机制潜藏在生命的某个未知角落，直到后来才被发现具有广泛的重要性。这一特殊发现的不寻常之处在于，构成一组奇怪的脑疾病基础的分子机制同时也是长时记忆的基础，而后者是健康大脑的一个基本功能。通常而言，是基础生物学增进了我们对疾病的认识，而不是反过来。②
总结起来，关于长时敏感化的研究和类朊病毒机制的发现，让我们得出了三个新原理，它们不只适用于海兔，也适用于包括人类在内的所有动物的记忆存储。第一，激活长时记忆需要基因的打开。第二，什么经验能被存储到记忆中是受到生物学限制的。要想打开激活长时记忆的基因，CREB-1蛋白必须被激活而CREB-2蛋白必须失去活性，因为后者会抑制增强记忆的基因。由于人们不会记得他们学过的所有事情—也没有人想全都记得—因此编码阻遏蛋白的基因为短时记忆向长时记忆的转化设定了一个高阈值。这样一来我们就只会长期记得某些事件和经验。大部分事情我们很快就忘记了。去除这一生物学限制会导致向长时记忆的转化。CREB-1激活的基因是新突触生长所必需的。要想形成长时记忆，相关基因必须被打开，这一事实清楚地表明，不能简单地认为基因是行为的决定者，它还受到环境刺激（比如学习）的影响。
第三，新突触终端的生长和维持让记忆得以持续。因此，如果你能记得本书中的任何内容，那是因为在读过之后你的大脑变得有点不同了。借由经验生成新突触连接这一能力，似乎在进化过程中是保守的。举个例子，在人类中，和在更简单的动物中一样，由于来自感觉通路的输入信息在持续变化，皮层中表征身体表面的图谱也会相应地不断受到修饰。
①他与另外两名科学家因在发现并研究绿色荧光蛋白方面做出的贡献分享了2008年诺贝尔化学奖。
②2020年3月，考斯克·司实验室发表于《科学》的一篇重要论文，首次以原子级分辨率描绘了从果蝇脑中提取纯化的一种CPEB蛋白Orb2，确认其在脑中能以单体、低聚体和淀粉样这三种构象存在。其中，单体构象抑制记忆相关蛋白质合成而低聚体和淀粉样构象激活记忆相关蛋白质合成。与致病淀粉样蛋白具有的疏水性核心不同，Orb2的淀粉样构象具有亲水性核心，这可能是它能够调控和维持记忆的原因。论文链接：http://doi.org/10.1126/science.aba3526
第四部
这些场景……它们为什么在年复一年中完好无损地保存了下来，难道它们是由一些更为永恒的材料做成的吗？
——弗吉尼亚·伍尔夫，《往事素描》（1953）
20 回到复杂记忆
当我第一次开始研究记忆的生物学基础时，我关注的是学习的三种最简单形式—习惯化、敏感化和经典条件作用—所产生的记忆存储。我发现当一个简单运动行为通过学习得到修饰时，这些修饰直接影响了作为行为基础的神经环路，改变了原有连接的强度。一旦记忆被存储进了神经环路，就能够被立即提取出来。
这些发现向我们提供了有关内隐记忆生物学的初步洞见。这种记忆不需要有意识地回忆，它所负责的不仅仅是简单的知觉及运动技能，原则上说，它还负责玛戈特·芳婷的竖趾旋转、温顿·马萨利斯的小号演奏、安德烈·阿加西的精准击球①以及每个年轻人骑自行车时的腿部运动。内隐记忆通过不由意识控制的固有程式来指导我们。
最初激发我兴趣的是更复杂的记忆—对人、物和位置的外显记忆，它需要有意识地回忆，通常是以表象或文字形式表达。外显记忆比我在海兔中研究过的简单反射要复杂得多。它依赖于海马体和内侧颞叶的精细神经环路，而且它有更多的可能存储位置。
外显记忆是高度个人化的。有些人每时每刻都与这类记忆为伴，弗吉尼亚·伍尔夫就是其中之一。她的童年记忆总是处于她意识的边缘，随时准备涌起。她能够精致地描述她回忆起的往事细节。因此，在母亲去世多年之后，伍尔夫对她的记忆依然鲜活：
……她就在那里，位于我的“童年”这个庄严教堂空间的正中央；从一开始她就在那里。我最初的记忆是倚着她的膝部。……然后我看到她穿着白色睡袍站在阳台上。……尽管她在我13岁的时候就去世了，可是关于她的记忆，直到我44岁时还一直萦绕着我。
……这些场景……它们为什么在年复一年中完好无损地保存了下来，难道它们是由一些更为永恒的材料做成的吗？
其他人只会偶尔想起他们的过往。我会定期回想在水晶之夜那天两个警察进入我家公寓并命令我们离开的一幕。当这段记忆进入我的意识时，我能重新看见并感受到他们的存在。我眼前浮现出母亲脸上忧虑的表情，感受到我身体中的焦虑，并察觉到我哥哥带上他的硬币和邮票收藏时的果断。一旦我把这些记忆置于我家公寓的空间布局之中，其余的细节就会无比清晰地进入我的脑海。
记起一件事中的此类细节就像回忆一个梦境或看一部我们自己参演的电影。我们甚至能够回忆起过去的情绪状态，虽然常常只是以一种简化得多的形式。直至今日，我还记得我与管家米琪亲密接触时的一些情绪感受。
田纳西·威廉斯在《牛奶车不再在此停留》中所描述的正是我们现在说的外显记忆：“你可曾意识到……除了那如白驹过隙稍纵即逝的每一个此刻，人生都是记忆？人生除了每一个逝去的瞬间……实际上都是记忆。”
对我们所有人而言，外显记忆让空间和时间的飞跃成为可能，它唤起那些似乎已经消失在过去，实际上却以某种方式继续存在于我们脑海中的事件和情绪状态。但回忆一个情景—不论这段记忆如何重要—并不仅仅是像翻开相册里的一张照片那样。回忆是一个创造性过程。我们认为大脑存储的只是一个核心记忆。在回忆中，这个核心记忆得到详尽的描绘和重建，伴随着缝补、删改、细化和扭曲。是什么生物学过程使得我们能够如此情绪化和生动地回顾个人历史？
在我60岁生日到来之际，我终于鼓起勇气重返海马体和外显记忆的研究。我们已经从海兔的简单反射环路中获知的基本分子原理是否部分适用于哺乳动物脑的复杂神经环路，我一直对这个问题感到好奇。到了1989年，科学界的三个主要突破使得在实验室探索这一问题变得可行。
第一个突破在于，科学家发现了海马体锥体细胞在动物对其空间环境的知觉中扮演了关键角色。第二个突破则是发现了海马体中一个引人注目的突触增强机制，称作长时程增强。许多研究者认为这一机制可能是外显记忆的基础。第三个突破，也是与我自己研究学习的分子取向最直接相关的突破，就是科学家已经发明了强有力的新方法来对小鼠进行基因修饰。我和同事们将改造此方法以适用于脑，尝试在海马体中通过同样的分子细节探索外显记忆，就像我们在海兔的内隐记忆研究中做过的那样。
海马体研究的新纪元始于1971年，当时伦敦大学学院的约翰·奥基夫做出了一个关于海马体如何加工感觉信息的惊人发现。②他发现大鼠海马体中的神经元登记的不是关于各种单一感觉形态—视觉、听觉、触觉或痛觉—的信息，而是关于动物周围空间的，这一模式依赖于来自多种感觉通道的信息。他进一步发现大鼠海马体包含外部空间的表征，即一幅地图，这幅地图的组成单元就是海马体的锥体细胞，它们加工位置信息。事实上，这些神经元的动作电位模式非常明确地对应空间的特定区域，奥基夫将它们称作“位置细胞”。在奥基夫做出这一发现之后，对一些啮齿类动物的实验研究也显示，损毁海马体会严重损害动物学习那些依赖空间信息的任务的能力。这一发现表明，空间地图在空间认知，也即我们对周围环境的觉知中扮演了核心角色。
由于空间包含的信息是通过若干感觉模式获取的，这就引出了下述问题：这些模式如何汇到一起？空间地图是如何建立的？建立之后，空间地图又如何保持？
解决问题的第一个线索出现在1973年，奥斯陆的佩尔·安德森实验室的两位博士后学生泰耶·勒莫和蒂姆·布利斯发现，通向兔子海马体的神经元通路能够被神经活动的短暂脉冲增强。勒莫和布利斯没有注意到奥基夫的研究，他们没有像我们在海兔的缩鳃反射中所做的那样，尝试检查海马体在记忆或特定行为中的功能。相反，他们采取了类似于拉迪斯拉夫·托克和我在1962年首先用过的那种方法，开发了一种学习的神经性模拟。他们没有把神经性模拟建立在传统行为学范式，比如习惯化、敏感化或经典条件作用的基础上，而是基于神经元自身的活动。他们给通向海马体的神经元通路施加极快的电刺激序列（每秒100次脉冲），发现该通路的突触连接的增强持续了几小时到几天。勒莫和布利斯将这种形式的突触易化称作长时程增强。
接着，科学家很快就发现了海马体中的全部三条通路都会发生长时程增强，它不是一个单一的过程。相反，长时程增强指的是一族有细微差异的机制，它们对不同频率和模式的刺激做出反应，增强突触强度。长时程增强类似于海兔体内的感觉与运动神经元之间连接的长时程易化，后者也增强了突触连接的强度。不同的是，海兔体内的长时程易化增强的是异突触，依赖于调节性递质对同突触通路发挥作用，而许多长时程增强只能够依赖同突触活动来开启。不过，正如我们及其他人后来发现的，神经调质常常被招募用于将短时同突触可塑性转换为长时异突触可塑性。
20世纪80年代早期，安德森大大简化了勒莫和布利斯的研究方法，他从大鼠脑中取出海马体，将其切成薄片，并将这些切片置于实验皿中。这使得他能够在海马体的特定片段中观察神经通路。令人惊奇的是，只要处理得当，这些脑切片能够正常运作数小时。有了这一进展，研究者能够分析长时程增强的生物化学特征，并观察阻断各种信号传导成分的药物的效果。
这些实验让科学家陆续发现了参与长时程增强的一些关键分子。20世纪60年代，戴维·柯蒂斯与杰弗里·沃特金斯合作发现，谷氨酸这种常见的氨基酸是脊椎动物脑中的主要兴奋性递质（后来我们发现在无脊椎动物脑中也是如此）。接着沃特金斯和格雷厄姆·科林格里奇发现谷氨酸作用于海马体中两种不同类型的离子通道型受体，AMPA受体和NMDA受体。AMPA受体介导正常的突触传递并对突触前神经元中的动作电位做出反应。而NMDA受体则只对极快的刺激序列做出反应，它是长时程增强所必需的。
当一个突触后神经元受到反复刺激，就像在勒莫和布利斯的实验中那样，AMPA受体会产生高达20或30毫伏的强大突触电位，使得细胞膜去极化。这一去极化造成了NMDA受体中的离子通道开启，允许钙离子流入细胞。加州大学旧金山分校的罗杰·尼科尔和加州大学尔湾分校的盖瑞·林奇各自独立地发现，流入突触后细胞的钙离子起到了第二信使的作用（与环腺苷酸的作用很像），触发了长时程增强。因此，NMDA受体能够把突触电位的电信号翻译成生化信号。
这些生化反应很重要，因为它们触发的分子信号能够传导到整个细胞，进而对长时突触修饰发挥作用。特别是钙离子激活的一种激酶（称作钙/钙调素依赖性蛋白激酶）使得突触强度的增加持续约一小时。尼科尔进一步发现，钙离子内流和这种激酶的激活，引发了额外的AMPA受体被装配并插入突触后细胞的细胞膜，导致突触连接的增强。
对NMDA受体功能的分析在神经科学家中引起了轰动，因为它表明受体起到了同时性探测器的作用。当且仅当它探测到两个神经事件（一个位于突触前而另一个位于突触后）同时发生，才会允许钙离子从它的通路流入。突触前神经元必须被激活并释放谷氨酸，且突触后细胞中的AMPA受体必须与谷氨酸结合并使细胞去极化。只有这样，NMDA受体才会被激活并允许钙离子流入细胞，触发长时程增强。有趣的是，心理学家D.O.赫布在1949年已经预言了在学习时脑中会出现某种神经同时性探测器：“当细胞A的轴突……使细胞B兴奋并反复或持续地参与到它的放电时，一些生长过程或代谢变化会在其中一个或两个细胞中发生，于是A的效能也增强了。”
