学习和记忆的神经生物学ppt课件.ppt

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1、学习和记忆的神经生物学 生理学系 孙秀兰 高兴亚,前 言,一、基本概念,学习记忆属于高级神经活动或 higher function of brain，它是高等动物和人类最具特色的生理特征之一。 学习记忆是动物改变自身行为或产生新行为以便适应生活环境的必要过程。在人类，则是认识和改造客观世界以及参加社会实践活动必不可少的生理条件，是人类思维活动的基本环节，是智力结构中诸多要素（观察力、注意力、记忆力、判断力、想象力等）的重要成分。,上世纪80年代，National Research Council-opportunities in biology,明确提出“学习是行为适应的主要手段，是社会进步的

2、主要力量”。 80年代初，我国著名的科学家钱学森倡导并提出的思维科学体系，并构想了一幅思维科学框架结构图及其与多门学科的相互关系，提出“思维科学的别名就是认知科学”。,思维科学的应用技术,思维科学的技术科学,思维科学的理论基础,思维科学的基础科学,思维的生理基础,逻辑学,哲学和哲学史,认识论,-电子计算机的电子和机械系统-人工智能机的电子和机械系统,-系统论、信息论、控制论-数学、数理逻辑-语言学、符号学,-普通心理学等-神经生理学、神经解剖学等,-形式逻辑、辨证逻辑,-科学方法论、认识论,思维科学体系图,（一）什么是学习和记忆？,行为学:“学习是引起个体对特殊环境条件所产生的适应性行为的全部

3、过程”、“学习是指经验引起的一种适应性行为变化，记忆是过去经验的储存和回忆”。心理学:“记忆是一种心理过程，由识记、保持、再认或回忆组成”。神经生理学: 学习主要是指人或动物通过神经系统接受外界环境信息而影响自身行为的过程，记忆是指获得的经验或信息在脑内储存和提取再现的神经活动过程。现代社会: 出现了一门新兴学科-记忆科学，包括生物记忆、材料记忆和机器记忆三个方面。,（二）学习与记忆的基本过程,Acquisition/registration-感知外界事物或接受外界信息的阶段，通过感觉系统向脑内输入信号，即学习阶段。获得 采样Consolidation-获得的信息在脑内编码储存和保持的阶段。巩

4、固 储存Retrieval-将储存于脑内的信息提取出来使之再现于意识中的过程，即回忆过程。再现 重放,（三）记忆的基本类型,外界信息输入,瞬时记忆,短时记忆,长时记忆,永久记忆,注意,重复,遗忘,遗忘信息丢失,可能遗忘,终生不忘,再现,不重复,记忆的分级模式,记忆时程及特点的比较,学习与记忆的其它分类方法,心理学：形象记忆、逻辑记忆、情感记忆、运动记忆神经生物学： 简单学习: habituation , sensitization等 联合学习: classical conditional response,one-trial learning等 复合学习： latent learning潜伏学

5、习, vicarious learning替代学习, insight learning顿悟学习, imprinting learning铭记学习等,1995年5月，数百人在日本京都国际会议中心召开的国际性生命科学专题研讨会-学习与记忆专题，Gasic 对此会议进行了综合报道，并对不同记忆类型的脑内解剖结构定位进行了总结：,记忆,陈述性记忆：事实、活动事件等内侧颞叶 medial temporal lobe， 间脑 diencephalon非陈述性记忆：技巧，习惯纹状体 striatum简单的经典条件反射杏仁核 amygdala， 小脑 cerebellum非联合型学习反射通路 reflex p

6、athway,一些相关概念：学习无能 learning disabilities, LD遗忘 amnesia 顺行性遗忘，逆行性遗忘，进行性遗忘，系统成分性遗忘，选择性遗忘，暂时性遗忘包括记忆功能的变化：亢进、减退、空白、遗忘记忆性质特征紊乱：错构症、虚构症、歪曲性记忆等另外，几个概念完全不同的单词：amnesia amentia dementia,二、学习与记忆研究的发展沿革,(一)、关于脑功能与学习记忆的早期研究(二)、巴甫洛夫条件反射理论和实验动物模型(三)、Hebb的突触修饰理论是推动学习记忆研究 的强大动力(四)、学习与记忆的电生理指标-LTP, LTD(五)、海兔等低等动物模型在学

7、习记忆研究中的贡献(六)、学习与记忆的神经化学研究(七)、分子生物学等新兴学科的参与,三、学习记忆研究中的主要实验动物模型,目前实验室用以研究学习记忆的主要行为模式有三类：habituation/orienting reflex -一个特定刺激单纯地反复出现时，机体对这个刺激的反应逐渐减弱的现象。classical conditioning-一个中性刺激与非条件刺激在时间上接近，反复结合，使有机体对中性刺激逐渐产生与非条件刺激所引起的相似的应答反应。“巴甫洛夫”operant conditioning-通过有机体自身的某个特定操作动作而获得食物或回避有害刺激的反应活动。“斯金纳箱”,（1）学习

8、材料之间必须有时间上和空间上的接近性（两个刺激或刺激 与反应之间）；（2）在一般情况下，学习材料之间的联系必须有重复性；（3）必须有强化作用(奖励或惩罚）；（4）必须可因干扰作用而产生遗忘。,三类学习难宜程度上不同，但遵循四项原则：,衡量学习效应的尺度有：潜伏期、反应时、反应正确率，以及对消退的抗力等等。为了度量学习的效应，必须保持一些因素恒定不变，如刺激的恒定性、环境的稳定性、内驱力以及有机体状态等。,若干实验动物模型,1、海兔Aplysia的缩鳃反射-防御性反射，躲避危害机体的刺激物。用于研究习惯化和敏感化。刺激物“水流喷射或机械探针”作用于肛管，引起海兔鳃和肛管的收缩。习惯化-10tim

9、es(30s)/d4d ,观察第2、3、4天肛管收缩持续时间减少的百分率（以第一天时间作为参照）。敏感化-训练+训练（施加电击）+检测，观察去习惯即敏感化持续时间。,2、金鱼防御条件反射实验3、雏鸡一次性（味觉厌恶）回避反应实验 one-trial-avoidance task4、各类迷宫作业-T形、Y型、Morris水迷宫5、灵长类动物的记忆实验：延缓反应作业 delayed response task 延缓交替作业 delayed alternation task,金鱼防御条件反射实验,灯亮后20，金鱼须穿梭到对侧，否则将遭到电击,Y-迷宫实验示意图,臂长25cm,宽10cm，箱底铺有铜棒

10、，各臂顶端装有刺激信号灯。,信号灯亮为安全区。小鼠置于任一臂中适应环境1 min，启动另外两臂中任一臂的信号灯，延迟5s后，灯不亮的两臂则通电电击小鼠，直至逃避到安全区为止。灯亮持续5s后熄灭，完成一次测试。以小鼠到达安全区为下一次的起始位置，间隔5s后进行再一次测试。,实验在半隔音的暗室中进行，第一天将小鼠尾对门洞放在踏板上，让其自由进入箱内，并停留60s，第二天再同样进行两次，间隔时间为15-20min。半小时后，将小鼠放上踏板，待其进入箱内后立即给予电击，5min后将小鼠取出。第三天（24h）再将小鼠放在踏板上，检测小鼠进入箱内前在踏板上停留的时间，即潜伏期。,小鼠一次性被动回避反应实验

11、,踏板离地面1米，正上方20cm外有一盏40W白炽灯,被动回避反应箱：长宽高=151525cm踏板长宽2.810cm ，,跳台与穿梭,四、中枢神经突触可塑性的生理生化机制,1、概述 所谓突触可塑性就是突触在一定条件下调整功能、改变形态以及增减数目的能力，既包括传递效能的变化，又包括形态结构的变化，二者的物质基础都涉及神经元和突触部位的某些蛋白质、受体、神经递质、离子及信使分子的物理化学变化。虽然突触可塑性的生理生化机制一直是神经科学家揭示学习记忆奥秘的突破口，近年也取得了一些进展，但现有资料仍不足以阐明突触可塑性的详细机制，故只能作一简单介绍。,2、研究突触可塑性的主要方法,一是用代谢阻断剂、

12、酶抑制剂、抗体等药物或基因剔除的方法，观察某些物质或生化过程对突触传递效能及结构参数的影响。二是在学习记忆前后，即突触可塑性变化的前后，检测某些蛋白的表达及酶的活力，观察神经递质、受体及信使物质的变化，以确定它们在突触可塑性变化中的作用，探讨其参与调节突触可塑性的机制。,3、突触可塑性的生理生化机制,脑内突触可塑性是近二十年来神经科学研究的热点。已观察到的可塑性变化主要有：（1）突触前修饰作用，包括神经递质的合成、贮存、释放及自身受 体功能的改变；（2）突触后修饰，包括神经递质受体的特性，受体激活后第二信使、 G蛋白、膜离子流、调控蛋白及产生磷酸化和脱磷酸化等各种 反应的酶的变化；（3）突触前

13、或突触后结构的可塑性，包括突触前末梢大小或形态的 变化，树突棘、突触界面曲率及突触后致密物等的变化；（4）非神经元修饰，如胶质细胞及胶质神经元相互作用的变化；（5）上述某些或所有变化的综合表现。因此，可塑性机制的中心应 该是许多关键物质的相互作用。,（A）、受体在突触可塑性中的重要作用,受体分为两大类：配体门控离子通道受体ligand-gated-ion channels 如 nAchR , -GABA , Gly , NMDA , AMPA , KA G-蛋白耦联受体-如肾上腺素能儿茶酚胺受体；mAch；K物质和血管紧张素受体；DA和5-HT受体；mGluR等。脑内参与学习记忆的受体很多，包

14、括经典的Ach受体、兴奋性氨基酸受体及抑制性递质受体GABA受体，Gly受体等，其中NMDA受体被看作学习记忆的关键物质，启动和维持LTP都与NMDA受体的激活有关。另一种mGluR也参与LTP 产生与维持及神经元损伤机制，但它的作用得通过与它耦联的NMDA受体才能实现。,突触传递效能可塑性的机制,（B）、影响突触前功能的可能机制,突触前某些蛋白质、受体功能的变化对神经递质的合成、释放有决定作用，即直接参与了神经元信息的传递，对突触效能的变化有明显影响。（1）突触前蛋白的作用如突触素synapsin I、突触小蛋白synaptobrevin、突触泡融蛋白synaptotagmin及突触连接蛋白

15、snaptophysin等。这些蛋白可能与突触囊泡的激活、锚靠、排放或胞吐过程中的融合孔组成有关，即参与了突触传递效能的调控。（2）突触前受体的作用：参与神经递质释放的负反馈调节（3）另外，神经递质转运体表达及功能变化也可能在突触传递效能的可塑性变化中起重要作用,突触形态结构可塑性的生理生化机制,1、伏衬蛋白又称钙调素结合蛋白、钙调血影蛋白及突触后密集二聚体。该蛋白浓集于神经元及突触后膜特化部位，与细胞骨架蛋白及收缩蛋白相连而形成一个可流动的质膜衬里层。其参与结构可塑性的机制：参与LTP-伏衬蛋白参与了谷氨酸受体构型的调控，在LTP中，随着被蛋白酶的水解，使受体活性发生相应变化。参与调控突触亚

16、微结构的变化-作为突触后致密物的一种重要蛋白质，其构型随着磷酸化和脱磷酸化而发生变化，引起突触后致密物大小、厚度等的变化，而这些正是突触结构参数中最敏感的参数之一。与肌动蛋白共同构成亚微结构变化的动力机制，维持细胞和突触的形态并对轴浆流动及细胞收缩运动起调控作用。,2、脑内胞外蛋白质的重要作用,脑细胞的微环境对实现脑的功能起重要作用，细胞外间隙相当于各种细胞的公共场所，是物质交换的公共通道。携带神经信息的化学信号不仅影响神经元，同时也会大大改变细胞外的空间。近年来研究表明，脑内细胞外蛋白质在学习记忆过程中起重要作用。如室管膜素：高度可溶状态自身聚集成不溶性的纤维状基质，是不稳定的突触连接随频繁

17、的信息传递活动而转变为稳定突触的前提条件。可能起连接作用使突触连接面积稳定和扩大。由Ca 2+耗竭触发,五、海兔联合型和非联合型学习的神经机制,1、习惯化的突触机制：突触效能减弱 如果给予每日10次刺激，连续4日，产生的长时程习惯化可保持3周以上。突触前和突触后微电极记录可观察到突触后电位逐渐降低，是由于传入刺激的感觉神经元突触末梢递质释放减少（已经证明突触后受体的敏感性没有降低），也就是突触效能减弱产生了习惯化。？-突触前膜上N型Ca 2+通道的失活；可能由于可动员的突触囊泡数减少而使递质释放减少。,2、敏感化的突触机制,给予海兔一个伤害性刺激（如电击），再刺激水管就会引起较强的缩鳃反应，这

18、就是敏感化。机制？-突触前易化使突触效能增强,中间神经元中介敏感化,5-HT受体G-蛋白腺苷酸环化酶,cAMPPKA,K +通道,Ca 2+通道,突触后细胞,磷酸酶,3、经典条件反射形成的机制,海兔的缩鳃反射可形成经典条件反射，这是一种联合型学习。条件反射与敏感化不同之处就是需要水管触觉刺激（条件刺激CS）与电击尾部（非条件刺激US）多次在时间上特异结合。未结合前单用CS引起弱的缩鳃反应，多次结合后，单用CS可引起强缩鳃反应，且可维持多天。 经典条件反射与敏感化有基本相同的突触机制，即由cAMP中介的神经递质释放增加使突触效能增强。不同之处在于它是一种时间上特异的、活动依赖的突触前易化。配对地

19、给予CS和US，受双重调节（CS-感觉神经元去极化，Ca 2+内流激活；US-引起中间神经元激活释放5-HT，由5-HT触发前述敏感化机制）的腺苷酸环化酶激活后，生成更多的cAMP，递质释放增加更明显。,4、长时敏感化的分子机制,长时敏感化与短时敏感化机制的共性和特性共性：突触前感觉神经元释放递质增加，突触后运动神经元EPSP增强，且都是由5-HT所诱发。特性：长时敏感化需要新的蛋白质合成和基因转录，短时敏感化不需要。另外，前者还伴有突触结构的变化。,六、学习与记忆的细胞和分子机理研究动态,由于神经元之间信息传递和调节细胞活动的信使物质的研究进展，以及分子生物学、分子遗传学研究策略和技术方法的

20、引入，使学习记忆在细胞、亚细胞和分子、基因水平的研究发展比较快，获得了很多结果。 首先是对细胞信使系统、信使分子和某些与神经元信息传递相关的酶在学习记忆过程中有可能的特异作用进行了广泛研究； 其次，是采用分子遗传学的方法和技术，成功建立了多种产生学习记忆障碍的单基因突变或转基因动物模型。,1、雏鸡学习记忆研究进展,（1）雏鸡一次训练被动回避作业的优点和记忆分期（2）早期记忆过程脑内的变化：葡萄糖摄取增加；突触前膜蛋白磷酸化增加；蛋白激酶C转位；即早基因的表达（3）糖蛋白与长时记忆：岩藻糖fucose作为糖蛋白合成的标记的研究；2-脱氧半乳糖2-deoxygalacose作糖蛋白合成的抑制剂的研

21、究；与记忆相关的糖蛋白类别的鉴定；糖蛋白合成的双峰two-wave。（4）突触结构的变化：突触棘密度、突触数目、突触囊泡增加,2、学习记忆过程即早基因的表达,即刻早期基因 immediate-early gene (IEG) - 在原癌基因proto-oncogene家族中，有一类可被第二信使诱导、对外界刺激能快速应答，即为IEG。已发现的IEG至少有十几种，研究最深入的是c-fos和c-jun，两者被激活后迅速转录，编码相应的核磷蛋白，核磷蛋白（第三信使）作为转录因子很快进入核内参与靶基因的转录调节。可用northern blot or in situ hybridisation技术，检测c

22、-fos和c-jun 的mRNA水平，或用免疫细胞化学方法，显示fos和jun蛋白的表达。既然学习记忆特别是长时记忆需要基因转录和新蛋白质合成，IEG在学习过程是否被激活及其意义值得探讨。-研究证实，在学习过程中，确实有c-fos mRNA表达的升高，感觉刺激的新异性是重要的诱导因素。,3、果蝇单基因突变及转基因与学习记忆的分子遗传学分析,3.1 背景介绍果蝇作为学习记忆研究对象的特点：平均寿命45-60天，繁殖期10-14天；染色体仅4对，适合遗传学研究；果蝇能进行嗅觉或视觉的联合型学习。果蝇的嗅觉联合学习记忆模式,起始管,休息管,B,A,B,A,. .,果蝇嗅觉辨别学习实验装置图,3.2

23、学习和早期记忆有缺陷的单基因突变,研究流程：化学诱变-单基因突变-纯种突变系-行为学筛选-选出有学习记忆障碍的突变体单基因突变体：dunce基因 -cAMP磷酸二酯酶的结构基因 rutabaga基因 -AC的结构基因 DCO基因 -编码cAMP依赖的蛋白激酶（PKA）的催化亚单位 Ammesiac基因-与哺乳动物AC激活肽和生长素释放激素的基因同源都与以cAMP为第二信使的细胞内信息传递途径有关， cAMP水平的适当调节对学习记忆更为重要,4、转基因小鼠与学习记忆的分子基础,由于近年转基因技术的发展，学者们开始以小鼠为对象，探讨脑内某些酶或分子的基因改变与学习记忆的关系。4.1 CaMK突变小

24、鼠与空间学习记忆-脑内最丰富的蛋白激酶， CaMK能增加突触的活动强度。该酶的特点是Ca 2+依赖 的自动磷酸化，认为其有分子开关作用，“开”时通过使突触通道磷酸化而实现其对信息贮存的作用，包括LTP和学习记忆的形成。实验支持-a- CaMK缺失小鼠：基因打靶技术，不能诱导出LTP，空间学习记忆能力下降CaMK -Asp-286转基因小鼠：转基因技术，100HZ能诱导出LTP，1HZ能诱导出LTD，但5-10HZ（相当于海马的节律）不能诱导出LTP，某些空间学习记忆能力下降,当海马NMDA受体激活后，Ca 2+内流进入突触后细胞，转而激活了酪氨酸激酶等蛋白激酶。酪氨酸激酶有两大类：一类是在膜受

25、体上，传递生长和神经营养信号；另一类是非受体的，结合与细胞膜的胞浆一侧，受各种跨膜信号分子激活。用酪氨酸激酶抑制剂能阻断LTP，但不能反映何种酪氨酸激酶的作用。小鼠胚胎干细胞同源重组（hmologus recombination in mouse embryonic stem cells, Grant,1992）工程，产生了四种非受体酪氨酸激酶的基因突变小鼠src,yes,abl,fyn，其中fyn突变体海马CA1区的场EPSP和PS幅度降低，LTP受到损害，空间学习有缺陷,4.2 酪氨酸激酶与空间学习记忆,4.3 神经细胞黏附分子与学习记忆,Neural-cell adhesion mole

26、cules （N-CAM）是免疫球蛋白大家族的成员，调节同源和异源细胞之间的相互作用。Cremer等（1994）用基因打靶技术，产生了N-CAM有缺陷小鼠，其脑内已完全失去了N-CAM的免疫反应，此基因突变体全脑重量减少了10%，嗅束大小减少了36%，空间学习能力下降，但运动能力正常，提示N-CAM在小鼠空间学习记忆中起重要作用。,4.4 CREB基因突变与长时记忆,CRE-binding protein(CREB)，是一种受cAMP调节的转录因子。当其与CRE结合后，就传递了cAMP的反应，增强核内基因转录水平。CREB在长时易化中起着关键作用。CREB基因缺失小鼠一般健康状态良好，无运动障

27、碍和其他异常表现，脑组织学检查也正常，但长时记忆和空间学习能力受损，海马脑片上LTP幅度降低，持续时间缩短。支持有关cAMP依赖的通过特殊的转录因子CREB调控的某些重要蛋白基因的转录是长时记忆形成所必需的观点。,4.5 代谢型谷氨酸受体与学习记忆,mGluR与G蛋白耦联，激活各类第二信使 的级联反应，使短时的神经兴奋转为持续的细胞内的变化。目前已克隆出8种亚型，其生理作用有待阐明。其中mGluR亚型1广泛表达与CNS突触前和突触后部位，在海马的CA3区和齿状回尤为丰富。mGluR 1基因突变小鼠，脑内完全缺乏mGluR 1蛋白，用特异抗体进行免疫细胞化学测定，此突变小鼠小脑、海马等脑区，测不

28、出mGluR 1的免疫活性，学习能力有缺陷，海马LTP和小脑LTD都有一定损害。,5、信使分子在学习记忆中的作用,5.1 钙离子作为信息传递的第二信使，为体内所有细胞（包括神经细胞）功能所必需，参与多种细胞活动的调节，如递质 的释放、细胞构筑和生长、酶系统的激活等。前已述，在海兔缩鳃反射习惯化和敏感化的细胞机制中，已肯定了Ca 2+与正常学习记忆过程的重要关系，即突触前Ca 2+内流量影响递质释放，从而导致行为变化。另外，海马兴奋性突触后电位LTP的产生和维持，已被证明由于Ca 2+经NMDA受体内流所产生的细胞内的效应所致。,存在于细胞内的PKC有两种形式：一种是结合于细胞膜上的PKC，另一

29、种是在细胞浆内可溶性PKC。已有证据表明，只有膜结合的PKC才是有活性的，才能发挥其对底物蛋白磷酸化作用。在学习过程中，有特异出现的、长时的PKC转位；在海马LTP诱导后，也出现PKC活性转位，即与膜结合的PKC增多。实验观察到，兔瞬膜条件反射伴随海马CA1区K+电流减少，又有突触后电位总和的增加。PKC激动剂 phorbol ester应用于离体海马脑片上，也产生类似电生理变化。 PKC激活，可能是伴随条件反射的电生理变化的生物化学机制。,5.2 蛋白激酶C（PKC）,PKC如何在学习记忆过程起作用？ 使底物磷酸化（如前述的突触前膜蛋白B-50） 影响离子通道的状态（如阻断K+通道） 使兴奋

30、性提高。应用PKC激动剂或抑制剂（多粘菌素B，H7等），可影响多种递质如皮层或海马Ach,Glu,CCK等的释放。总之，PKC很可能在学习过程所激发的第二信使系统的级联cascade反应中起作用。,5.3 一氧化氮NO,NO参与脑内多种生理病理过程，如学习记忆、痛觉、递质释放、脑缺血中风的兴奋性毒性等。NO参与学习记忆的研究有如下进展：来源：L-Arg + O2 NO + 瓜氨酸，在脑内，神经元是NO的主要来源。突触前膜释放Glu 激活突触后膜NMDA受体 Ca2+内流 +钙调蛋白 激活原生型NOS,NOS,探讨NO与学习记忆的关系是从研究NO与海马LTP和小脑LTD开始的。已证明脑内NO的生

31、成和LTP的形成均需要NMDA受体通道的激活和Ca 2+内流的增加。NOS抑制剂可以阻断或减弱海马LTP或小脑LTD，而NO供体硝普钠却促进LTP或LTD；直接在动物的行为模式上研究NO与学习记忆的关系也有相同结果。 阻断NO合成，动物的正常学习过程受影响。,NO作用途径-cGMP途径,NMDA受体激活 激活NOS 突触后生成的NO弥散出细胞膜 激活邻近突触前膜或突触后膜的GC cGMP 通过多种机制发挥效应;增加递质释放；增加脑血流量。NO对学习记忆影响的特异途径？,五、突触传递效能的可塑性研究,中科院政策局92年出版走向21世纪的生物学-“多年来，有关损伤脑不同部位和区域对于人脑的信息获取

32、、存贮和记忆能力的影响的文献浩如烟海。但是，阐明突触长时程增强效应、MNDA受体与Hebb突触强度修正律的关系，却是80年代学习记忆神经科学研究的最主要成就”。下面将介绍LTP现象发现、特征、形成机制以及研究方法等。,1、long -term potentiation(LTP)的初始研究1.1 LTP的发现1966年，Lomo等首先对频率刺激在海马结构引起的突触传递效应增强的现象做了简要报道。1973年， Bliss和Lomo共同完成的关于LTP的系列研究文章发表在英国的生理学杂志。-麻醉或未麻醉成年兔 海马齿状回的颗粒细胞或分子层记录细胞外场电位 观察群体EPSP幅值、群体峰电位PS的幅值及

33、斜率、潜伏期、持续时间1973年，Bragin和Vinogradova对在海马CA3区观察到的这一现象进行了报道。,（一）长时程增强和长时程压抑,1.2 LTP研究早期不同名称的统一long-lasting potentiation LLP-Bliss and Lomolong-lasting synaptic enhancement LLSElong-tem enhancement LTElong-term potentiation LTP-1975, Douglas and Goddard长时程增强这一名称得到越来越多的使用。,2、海马LTP的研究-海马部位长时程增强的发现及其形成机理的探

34、讨，使学习记忆的研究提高到哺乳动物脑的细胞和分子水平。,海马结构的形态学特征-示意图,CA1,CA3,齿状回,Schaffer侧支纤维通路,通电流,苔状纤维mossy fibers通路,前穿质纤维通路perforant pathway,发自内嗅皮层细胞的轴突,记录,3、LTP的研究方法,3.1 使用动物及标本动物-哺乳动物如兔、豚鼠和大鼠等；无脊椎动物如海兔、小龙虾 等也能引导出LTP脑片-具有整体动物或培养细胞所不具有的特点：良好的机械稳定性；可在直视下选择刺激及记录部位；易分析单一因素的影响；与分离培养的神经细胞比较，脑片保留了神经元的局部回路联系，神经元本身的膜特性以及突触的输入、输出关

35、系均与整体基本相同，神经元的突触整合过程也与在体情况相近。,3.2 记录方法与观测指标,细胞外记录field potential(细胞群体的突触电位，是同步激活的突触群所产生细胞外电流通过记录电极而形成，相当于细胞内记录到的EPSP的细胞外电流)population spike（叠加在群体EPSP上的群体峰电位，实际上反映了被激活神经元群的同步发放）常用以下参数测量：群体EPSP斜率和幅值、群体PS幅值和潜伏期细胞内记录结合电压钳技术用细胞内记录的方法观察突触电位的LTP。LTP的量子分析方法,4、LTP与学习记忆的相关性研究,（1）LTP产生后动物的学习行为的研究（2）学习过程对LTP形成的

36、影响（3）影响学习的因素与LTP的相关性研究,5、突触传递的长时程压抑,除LTP现象外，还有一种突触强度的使用性压抑(use-dependent Long-Term synaptic Depression,LTD).它包括了不同的突触修饰引起的效应降低，也是发生SN的广大区域内、由不同的生化反应所介导的电生理现象。大部分研究表明，当突触前活动伴有强的突触后活动时，可以产生活动突触的LTP；而相关突触前活动伴有中等程度突触后活动时，可以在活动的突触引起突触效应的长时程压抑。具体过程略讲。,脑是如何编码、储存和再现记忆的，这是神经生物学中一个十分重要而又复杂的问题。我国著名生理学家冯德培曾指出：-

37、在整个神经生物学中，突触及有关的研究可以说是占据中心位置。因为神经系统基本上是信息加工系统，而信息加工要求神经元与神经元“对话”，这是通过突触进行的。,（二）习得性长时程增强,突触传递的LTP是否是学习、记忆的神经基础？-要解决这个问题，首先要对LTP的特性及 机制做深入了解；然后必须结合行为学习来探讨。一种是观察LTP的诱导对行为学习的影响，另一种是行为习得对LTP的影响。-这两方面的研究均已获得令人鼓舞的结果，支持LTP可能是学习记忆神经基础的假说。但这些结果中对LTP及学习行为的观察是分别进行的，难以确定LTP正是学习记忆过程中所发生，也难以确定LTP究竟是作为神经机制出现还是作为伴随现

38、象出现，这就提出了研究策略的问题。,从整合生物学研究的观点，直接在活体上结合动物的行为观测突触传递在学习记忆过程中的可塑性变化。-穿通纤维埋植刺激电极，齿状回埋植记录电极。-要说明LTP是学习记忆的神经机制，很重要的一点是 习得性LTP应能满足学习记忆的特征，如可以形成-保持-消退-再形成等，习得性LTP能否满足这些特点？,（三）长时程增强的诱导和维持,经过二十几年的研究，大量资料表明，LTP的形成包括诱导和维持（表达）两个阶段。1、关于LTP的诱导过程：Collingridge,Wigstrom,Gustafsson等三人提出了一个基本模式，有人将这个模式称为“CWG”模式。基本内容是：强直

39、刺激引起突触后膜去极化，后膜的去极化可以除去Mg 2+对NMDA受体通道的阻滞作用，Ca 2+进入突触后膜内，细胞内Ca 2+浓度的增大 进一步触发细胞内一系列生物化学反应过程，从而出现长时间的生理效应。,2、 LTP维持与表达机制,突触前机制1、在整体动物、脑片标本上均证实，LTP形成后均出现突触前膜谷氨酸释放量的增加，且还有递质合成原料的摄取增加以及新递质合成及释放增加的趋势；2、在LTP维持过程中，递质释放量的增加是一个长时间的过程。在慢性实验中最长的持续时间为3天；3、当LTP消退后，实验组与对照组的递质释放量没有明显差异；4、这种递质释放量是一种去极化引起的钙依赖性的释放。,突触后机

40、制PKC的激活是LTP维持的重要突触后机制；钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMKII）通过磷酸化突触前及突触后的靶蛋白参与LTP的诱导及维持；磷脂酶A2（PLA2）通过改变受体亲和力从而影响和调制了LTP的形成过程；即早基因的表达产物将作为第三信使调节靶基因的转录，生成不同功能的蛋白，发挥持久的生理功能。,3、参与LTP形成的逆行信使,LTP 的诱导过程是突触后机制的参与，而突触前机制参与了LTP的维持与表达，提示有一种物质从突触后神经元树突棘释出作用于突触前末梢，将突触后信息的变化传至突触前膜，因此，寻找逆行信使就成为必然。逆行信使应具备的条件：（1）能在突触后神经元内产生；（2）当NMDA

41、受体被激活后，能够产生并释出；（3）抑制该物质生成的手段能阻滞LTP的形成；（4）当外源性加入该物质能模拟出LTP样反应，而且该反应不需要NMDA受体的激 活，因为它可绕过NMDA受体环节直接作用于突触前成分；（5）局部有移除或降解给物质的途径；（6）该物质作用迅速，因为实验中，LTP一旦被诱导，立即出现递质释放的增加；（7）这类物质具备短距离作用的特点，以保证LTP产生的突触特异性。,Ca 2+触发事件,Ca 2+,Ca 2+,Ca 2+,Arg 瓜氨酸,NOS,NO,NMDA受体,谷氨酸,NO（逆行信使）,LTP形成过程中的逆行信使示意图,4、LTP的调制因素： 去甲肾上腺素 乙酰胆碱 内源性阿片肽类物质 ATP 糖皮质激素 生长抑素,