基因与记忆之谜

一
序篇
---- 当我坐在苹果牌计算机前，将"记忆（Memory ）" 与"药物（ pharmaceutical）"同时键入雅虎搜索引擎，几秒钟后， 4.7万多个条目被检索出来。这些条目-- 有出售计算机辅助程序以加速学习进程，有出售各种药物以帮助提高记忆能力，有提供新的程式服务以改善老年痴呆症患者的记忆等等 --清晰地给检索者一个印象：人类似乎正面临着一个严峻的挑战，需要以各种可能的方式刺激和提升脑力，增强记忆。仅 1997年，美国就销售出价值 2.4亿美元的银杏树叶提取物，据说这种生长在中国境内的树叶提取物能增强记忆。
---- 环顾四周，一方面，信息潮水般涌来，快得多得令人有点不知所措；另一方面，生活的改善导致人类寿命延长，老年性智力衰退及相关疾病成为越来越大的阴影，每三个80 岁老人中，就有一位老年痴呆症患者，比如美国前总统里根。这些患者甚至忘掉了怎样系鞋带和怎样用刀叉或筷子吃饭，生活不能自理，给家庭和社会带来极大的焦虑和经济负担。
---- 人类能借助药物和遗传学的方法来使自身变得更聪明吗？人类能战胜衰老带来的记忆退化及相关疾病，以获取更好的生活质量吗？在这个系列内，我将讨论基础研究所得到的最新理解，及在这些理解的基础上各大制药公司和新兴起的高科技公司对记忆药物的需求。
---- 在进入专题讨论之前，我想简单地勾勒出当代神经生物学家探索记忆的分子与细胞机制的轨迹，这个过程不仅派生出很有意思的故事，也为讨论作了必要的铺垫。第一次高潮
----1962 年，密歇根大学教授James McConnell 在《神经精神病学》杂志上发表了一篇文章，题目是《通过食肉而达到记忆在扁虫之间的转移》。报告所依据的实验是这样的：先训练一批扁虫学会避光，然后把这些扁虫杀死并切成碎肉，再喂食给一批没有受过训练的扁虫，结果是一些吃过肉的扁虫自动具有了避光性，也就是说经过学习的扁虫通过吞食受训者的肉而获得了受训者的记忆。这个结论对人类的认知方式和能力所具有的潜在意义是革命性的，从而掀起了第一次神经科学的热潮。
---- 美国政府一下就资助了上千个研究计划，以扩展对这个现象的理解。三年后，加州的科学家在最有声望的《科学》杂志上报道，将受训后的大鼠脑中的RNA 抽提出来后，注射未受训的大鼠，这些大鼠于是获得了经过长期训练才能得到的技能。1972 年后，贝勒大学的George Ungar在英国《自然》杂志上发表文章，报告吃食从大鼠脑中提取的一个小蛋白分子能使不同种的小鼠也能获得新的技能。这就意味着所有的记忆是以蛋白分子的形式贮存的，如果想得到某种记忆或新的技能，只需吞食一片相应的含有特定蛋白的药片。
---- 如果这些实验成立的话，我们今天所面临的世界就会大不一样。不过，在Ungar 文章发表不久，人们就找出了这些实验不严格之处，及由此而产生错误结论的因素。
第二次高潮
---- 在20世纪六七十年代期间，另一批科学家采取了不同的方式探索这个问题，这些工作可以归类为两条不同的路线：其一是主要依据于遗传学的方法，其二是利用细胞学的方法，在 90年代，这两类不同的研究汇集在一起，掀起了第二次社会对神经学科的热情，并奠定了我们今天对记忆机制的理解。
---- 在第一类遗传学方法中，开拓者是加州理工学院的Semor Benzer 教授，他曾对经典分子生物学做出里程碑式的贡献，在60 年代末，当经典分子生物学的框架确定后，他便将视野转向行为的分子基础，以果蝇为模型，他的实验室在70 年代中第一次分离出学习与记忆的突变体。每一个突变体中都有一个特定的基因被突变，并因此而丧失了功能，从而导致了记忆能力的明显降低。至今已有十几个基因被证实是与学习和记忆有关的。沿此思路发展，在Cold Spring Harbor 实验室工作的Jerry Yin和 Tim Tally在历史上第一次用遗传学的方法通过调节一个叫作 CREB的基因的功能而制造出聪明果蝇，这个实验和四年后出现的聪明小鼠一起掀起了记忆研究的第二次高潮。这些基因的发现为开展记忆药物提供了坚实的理论基础。
---- 在第二类的以细胞学方法为基础的研究中，哥伦比亚大学的Eric Kandel 教授是以无脊椎动物海兔(Aplysia)为模型的开拓者。因为这个研究，他分享了 2000年的诺贝尔奖。而 Tim Bliss教授则是以脊椎动物大脑中的海马区所发现的一个叫作长时程增强（ Long－ Term Potentiation）的现象为模型的开拓者。
---- 在过去的30年中，对长时程增强的研究成为神经生物学中的一个热点，吸引了大批优秀的科学家。他们的工作使人们对中枢神经元之间的信息传递和记忆的细胞及化学基础的认知有了长足的进展。根据这些研究所建立的假说，普林斯顿大学的钱卓教授和他的合作者用分子遗传学的方法制造了第一只聪明小鼠，从而为人类用药物和遗传工程的手段来调整自身的认知能力的时代的到来拉开了序幕。
---- 在以后的系列中，我将就这些实验带给我们的希望和其中的问题与大家共同讨论。
二
对有超常记忆的人，我们常用"过目不忘"一词来形容。英文则称为 Photographic memory--照相式记忆。有没有"过目不忘"的人呢？《三国演义》里曾提及一位张松，过目一遍曹操的《孟德新书》便能一字不差地背诵下来。有心理学家对生活在 20世纪二三十年代莫斯科的一位报社记者" S"作过研究。 S能记住一切他所听到或看到的细节。十年二十年后，他仍能把某次会议中某人的发言一字不漏地复述出来。 ----按今天的理解，张松和 S的某些基因可能有不同寻常的变异。
为什么是果蝇
---- 理解一个生理过程的分子机理，最有效的途径之一是用遗传学的方法-- 也就是研究基因突变对所感兴趣的生理及细胞功能的影响。比如说，为了理解学习与记忆，我们可以先筛选学习和记忆的突变体。如果能找到突变的位子，即确定所突变的基因，并进而解读出此基因的序列，我们就能了解这个基因所编码蛋白的结构及可能的功能。进一步在生化及细胞水平上研究和对所有可能有关的基因进行研究，就有可能使科学家们重构整个学习与记忆的生化反应过程，从而获得对分子基础的理解。
---- 常用于遗传学研究的动物模型有三种：线虫、果蝇和小鼠。小鼠的讨论放在以后进行；线虫则太笨太简单，不适宜于行为学的研究；果蝇则不同，经过近百年的持续研究，科学家们创造出一套强有力的遗传学和分子生物学的工具与方法，并能"制造"出各种奇异的果蝇来：有脚长在头上的，有没有眼睛的，有眼睛长在翅膀上或脚上的，有"男性"身体加"女性"大脑的，有失眠的，有易醉酒的，有长寿的或短命的，有傻瓜也有"过目不忘"的。其中一些方法也能渐渐地运用于人类了。
过目不忘
---- 现代的研究令人惊异地发现，果蝇爱吸"毒"，饮"酒"，唱"爱情歌曲"，并可能会做"梦"（动眼睡眠）。果蝇能学会辨认"T "与"┻"，也能学会躲避与电刺痛关连在一起的气味；如果气味与电刺激关连一次的话，这种记忆能持续一天；训练10 次的话，这种记忆能延续超过七天，即形成长期记忆。果蝇成虫的寿命只有60 天左右，七天相当长了。
----70 年代中期，加州理工学院的Berger实验室分离出有史以来第一个学习和记忆的突变体，其方法是给果蝇喂食一种化学药剂。这种化学品能造成基因随机突变，然后把每个突变体分离培养，以供测试学习能力。筛选了近四百个突变体后，找到了第一个学习能力被降低的突变体。这个基因被命名为"低能学生（ dunce）"。以后，对几千个突变体的测试，发现了一批与学习有关的基因，比如被命名为"大头菜（ rutabaga）" ,"小萝卜（ turnip）"、"白菜（cabbage ）"的基因等，其中一些基因影响学习，另一些基因的突变对学习影响不大，但却严重破坏短期记忆或者长期记忆。这些研究使我们懂得，学习、短期记忆及长期记忆需要启动不同的生物化学反应。比方说，短期记忆只需磷酸化反应。而长期记忆的形成却需要合成新的蛋白。蛋白合成的启动是通过一个叫做 CREB的转录因子蛋白来介导的。这种理解导致一个猜想：抑制 CREB蛋白的活性 ,能阻断长期记忆的形成 ,而不影响短期记忆；相反，刺激CREB 的活性, 有可能加速长期记忆的形成。这正是"制作"有"过目不忘"能力的果蝇的基础。
----20 世纪80年代末在麻省理工学院做博士后的 Jerry Yin--一位美籍华人 --所研究的课题是通过改变 CREB的活性来影响果蝇长期记忆的形成。90 年代初期，他转到冷泉港研究所Tim Tully 的实验室继续这一研究。Yin 和Tully 通过诱导表达经过修饰的外源性CREB基因，以抑制或加强 CREB的活性。他们的实验表明，需要经过 10次训练才能建立的长期记忆，在 CREB活性得到加强的情况下，只需训练一次（即"过目不忘"）；而在 CREB活性被抑制的情况下，训练 50次也没用；从而在历史上第一次表明，调控一个基因的活性，能阻断或加速长期记忆的形成。
记忆药丸
---- 对于果蝇的理解能否延伸到人类呢？根据已测定的基因组图谱，果蝇约有一万多个基因，而人类则只有三万个左右。这些基因在进化上大都有一定的保守性（evolutionarily conserved ），即人类总能找与果蝇相对应的基因，其结构与功能都很相似。比如说小鼠和人类都有与果蝇相类似的CREB 基因。在冷泉港工作的Silva实验室证实抑制小鼠 CREB活性也能同样地阻断长期记忆的形成，但受技术限制，还不能在小鼠身上证明刺激 CREB活性能加速记忆的形成。
---- 基于这些结果，Tully和 Yin决定直接做人的研究，即筛选能刺激 CREB活性的小分子化合物以改善人的记忆并治疗相关疾病，但这种研发所需资金已远远超出学术研究所能承担的范围。他们把这个想法告知了冷泉港实验室主席华生。华生是 DNA双螺旋结构的发现者之一，并因此而获得诺贝尔奖，也是人类基因组计划的发起者和第一任主持人。在华生的帮助安排下， 1997年成立了一个由冷泉港、美国 OSI制药公司和瑞士 Hoffman Roche药厂三方合资的 Helicon Therapeutic公司。
----Helicon 的主要开发集中在筛选能刺激CREB的小分子上。基础是 Roche提供的一个含十多万种不同小分子的分子库，大多数是从野生植物中分离出来的。 Helicon设计了一种以细胞培养为基础的评价系统，作为第一道筛选；由此选出的能刺激 CREB活性的小分子再喂食或注射给果蝇和小鼠，以检验其对记忆的影响。筛选了十多万种分子后，到现在已有 13类小分子被注册作为有可能增强记忆的药物。据 Tully的保守估计，四年后， Helicon将进行小的实验。
---- 用一位诺贝尔奖获得者Eric Kindle的话：记忆药物就在前面拐弯处。
三
---- 我们已经探讨了具有"照相式记忆"能力的果蝇和长期记忆的机制。在这里，我们将走进聪明老鼠的大脑中，透过离子通道来窥视一下初始记忆形成的分子过程。
---- 在科学研究领域内，有一个很有名的病人，叫做H.M 。为了缓解严重的癫痫活动，H.M大脑中一块叫做海马区的组织被切除掉。手术后的心理测试表明， H.M的智力正常，并略有改善。但他的夫人却感觉到了一些奇异的变化。比如说 H.M有点过分热情。夫人出去买了一块比萨回来， H.M便欣喜万分地迎上来 ,表现出一番久别重逢后的新鲜与喜悦。 H.M似乎也变得更喜好看书, 而且同一本书看了一遍又一遍, 每一遍都兴趣盎然。原来H.M丧失了形成新的记忆的能力 ,而手术前的老记忆却完好无损。所以，几十分钟以前与夫人在一起的经历在其脑中没有留下一丝痕迹，几分钟后再见时，便有一种恍如新逢的惊喜。同样，一本书看完后，因没有一点印象，便又津津乐道地看第二、三、四遍。
海马区的记忆
---- 人的大脑由很多不同部分组成，包括小脑、大脑皮层、海马区等等。海马区与记忆有关。记忆可以大致分为形象记忆和程序性记忆。程序性记忆与动作性技巧有关，比如说学习操作机器或学会一个投篮动作。这种记忆与海马区无关。而形象记忆则包括对一个事件发生过程的记忆。这种记忆则跟海马区相关。海马区还与记忆概念、名称、事实、空间关系等相关。
---- 进一步的分析表明，贮存在海马区内的记忆是暂时的。几天后，这种记忆便会被转移到大脑的其它部位而形成可靠的长期记忆。这就是为什么H.M 不能形成新的记忆，而过去的记忆却并没受到影响的原因。
突触的可塑性与记忆
---- 记忆是怎样贮存在一个神经系统内的呢？上个世纪40 年代末，一位来自加拿大的科学家Donald Hebb 提出了一个很吸引人的假说。神经细胞之间是经由一个叫作突触的结构相关连的。通过神经递质在突触间的释放，编码信息的电脉冲便能从一个神经元传到另一个。Hebb 的假说提出，记忆是由突触间藕合强度在一个神经网络中心的分布来决定的。这种耦合强度是可塑的，这种可塑性就是学习的基础。在训练过程中，一些特定的神经元之间的耦合强度被调整，而达到改变神经网络对信号的处理从而形成新的记忆。---- 打个比方，在我们的脑中，有一个神经元控制笑，另一个则编码相声演员马季。这两个神经元的连接是非常弱的，所以当马季刚出道的时候，人们看着他并没有想笑。可是当他说相声时，我们一边笑，一边看着他的形象。两个神经元之间的耦合越来越强，以至于后来人们一看见马季就会笑。
---- 一直到了70年代初期， Bliss和 Lomo才在海马区内记录到一种突触可塑性的现象，定名为长时程增强（ long term potentiaton，简称 LTP）。给予海马区中一个神经元的高频刺激，对下一个神经元记录表明，两个神经元之间的突触传递有了明显的增强。这种增强能持续几个小时、几天甚至几个月，非常地类似于 Hebb假说中所提出的记忆的细胞机制。此发现一经发表，就吸引了大批细胞神经生物学家的注意。人们都在问着同一个问题，这就是大脑的秘密吗？
从LTP到聪明老鼠
----LTP 的研究分成两个方向：其一涉及LTP的形成和维持的细胞及分子机制，其二是验证 LTP是否与记忆的形成有关。
---- 不同见解的争论一直贯穿在这两个方面的研究中，且旷日持久，三四十年来从未间断。所以有人开玩笑地解读LTP 为"长期问题"（long term problem ）的缩写。在LTP机制的研究中，一个主要争论点在于突触传递增强是由于突触前的神经元发生了变化，还是突触后的神经元发生了变化。这种理解对机制的解释及研究机制所采用的方法都有决定性的影响。
---- 与LTP紧密相关的是神经递质谷氨酸的两类受体，即 NMDA和 AMPA受体。这些受体分布在突触后神经元的细胞膜上，一旦谷氨酸从突触前的神经元末梢释放，便能与突触后的受体结合而打开相应的离子通道，从而在突触后的神经元引发适当的电活动。这就是神经系统内信息传递及处理的基本过程。但是只有 AMPA受体参与这个信息传递与处理的过程，而 NMDA受体则是在 LTP的形成中占有一个关键的位子，并且聪明老鼠就是通过调整 NMDA受体的表达而实现的。其原理如下：
---- 在海马区内，神经元之间的连接突触有两类。第一类突触，表达有NMDA 和AMPA受体，承担着正常的信息处理功能。另一类则只表达有 NMDA受体，在正常的信息处理中，是没有活性的，所以叫做"沉默突触"。但是高频刺激（模仿学习过程）突触前神经元所产生的大量释放谷氨酸都能打开与 NMDA相关的钙离子通道，使钙离子得以进入突触后神经元内。进入的钙离子能激活一种钙调蛋白激酶，以产生磷酸化反应，从而引起一连串的生化调控，导致贮藏在细胞内的 AMPA受体进入或表达在"沉默突触"，使其转变成具有正常信号传递与处理功能的突触。这样，两个神经元之间的关连得到加强而表现为 LTP。
---- 基于这样的理解，科学家们穷尽各种各样的方法，包括生化的、药理的、遗传的、 分子的、电生理的等等，，来阻断或强化 LTP的形成，以检验 LTP是否与记忆的形成有关。
----20 世纪90年代末，普林斯顿大学的钱卓教授及合作者们的研究则提供了强有力的证据，支持 LTP作为记忆基础的观点。他们的实验思路如下： LTP形成的关键是打开与 NMDA受体关连的离子通道，让钙离子进入突触后神经元，如果能延长离子通道开放的时间，让更多的钙离子进入，就能更易于形成 LTP，从而增强学习的效果。为了达到这个目的，他们把一种只表达在胚胎时期的 NMDA受体用分子遗传学的方法表达在成年小鼠的海马区内。这种受体的开放时间要比正常情况长几个毫秒。结果发现这种经过遗传学方法修饰的小鼠，更易形成 LTP，也学得更快。这个发现在社会上引起了极大轰动。
四
失去记忆
　　你能想像失去记忆能力的生活会是什么样的？明代陆灼《艾子后语》中有一则故事：一人骑马携弓箭而行，半路下马，箭往地上一插，马往树上一系，蹲下大便。完事后往左一瞧，大惊：这支箭差点射中我；往右一顾，大喜：捡了一匹马；过去牵马，踩了自己的粪便，大喊：倒楣，踩了畜生的屎；到了家，左右徘徊，想不起这是谁家的房子；其妻出来骂了一句，他心里嘀咕：这位娘子素不相识，怎么开口就伤人？――这正是失去了记忆的老年痴呆症患者的行为。
---- 第一篇有关老年痴呆症的医学报告发表于1907 年，德国神经病理学家Alzheimer报告了一例偏离已知所有疾病模式的病人，起始表现为强烈的忌妒，继而逐渐失去记忆，并伴有抑郁和幻觉，进而痴呆， 5年后死亡。解剖发现，大脑皮层有广泛的组织变异和细胞损伤。所以老年痴呆症又叫" Alzheimer's Disease "，简称AD。类似的症状在古希腊的著作、莎士比亚的戏剧及古老的中医著作如《灵枢篇》里都曾提及。今天的诊断仍然依赖于行为症状，包括：（一）失去记忆能力；（二）做日常事务有困难；（三）语言表达有障碍；（四）时间和方位感混乱；（五）失去正常的判断能力；（六）不能进行抽象思维；（七）乱放东西；（八）脾性变坏；（九）个性改变；等等。
---- 最新研究表明，AD患者在早期只有很轻微的行为症状时，核磁共振成像（ MRI）能帮助诊断，即大脑皮层的海马区体积变小（海马区是早期记忆形成的神经中心），但最终的鉴定有待解剖死后病人的大脑。脑组织解剖表明 AD患者有两个病理特征，其一是有大量的老年斑块沉淀物，斑块的主要组成分子是一种淀粉蛋白 Aβ；其二是大量的神经纤维积淀，而它的主要成分则是一种叫做 Taci的蛋白。伴随着的则是大量神经元，特别是乙酰胆碱神经元的死亡。乙酰蛋碱神经元与认知能力有着密切的关系。
社会影响
----AD 是一种老年退行性疾病。美国的调查表明，在65 岁左右的人群中，有1.5％的人患 AD，而 85岁以上的人则有近 40％的人是AD 患者。前总统里根就是最有名的一位患者。对于家族遗传患者来说，症状出现得更早，在 40～50 岁之间，甚至有二十几岁的。这类病人很少，只占5 ％左右。但正是对这些病人的基因的研究使我们开始理解致病的原因。
----据估计，美国现在大约有 400万 AD患者。而治疗和照顾一个轻微患者，一年的经费大约超过 1.8万美元，一个中等程度的AD 患者需3 万美元，一个重患者则要3.6万美元。全美国一年直接和间接的治疗 AD的费用大约是 1000亿美元。在其它西方发达国家也需要类似的费用。治疗和照顾 AD患者成为发达国家的一项重大经济负担，各国政府都投入大量的资金来支持 AD研究。美国国家健康研究院每年要花费 5亿多美元来支持与AD 相关的基础研究，最近已提出要增加到10 亿美元。如加上私人基金会和各药厂用于开发治疗AD 的药物经费则数倍于此。但效益也将是惊人的。据估计，如能把患者从轻微发展到中等程度的病变推迟一个月，仅美国政府支持的老年医疗保险计划一年就能节省10 亿美元。
致病机理
---- 正如AD患者有很多症状，对病因的解释也有很多不同的假说，至今还没有一个被普遍接受的单一机理。一般认为 AD是一个受老年化、遗传性变形和环境因素的综合影响，而导致细胞内线粒体异常、细胞不平衡、神经元死亡、突触损失、痰症反应、胶质细胞增生等症状。从进化论的观点来看，一种学说认为，当动物包括人类失去生育能力即进入老年期后，其就物种的进化而言已失去存在的意义，由于不受到环境选择的压力（即适者生存），其在这个时期基因表达的调控及遗传错误的纠正没有最优化，这样有害基因表达的失控和遗传错误的积累便导致细胞和机体的老龄化。在这种老龄化的基础上，环境因素引起的应激反应、氧化反应、损伤反应等，再加上遗传性变异就会导致 AD。
---- 对患有遗传性AD病人的基因的分析发现了两个致病基因。其一是 APP基因，另一个是 PS基因。其中任一个基因突变就会造成 AD。APP 基因编码的蛋白是形成Aβ淀粉蛋白的前提，而 Aβ淀粉蛋白则是前述 AD病理的两个特征之一的老年斑积淀物的主要成分。 PS基因编码的蛋白则是一个酶，这个酶能切割 APP而产生A β淀粉蛋白。遗传学的分析还发现了几个危险基因，这些基因的功能都与生产A β淀粉蛋白有关。这些结果导致了一个在目前占据主导地位的假说：A β淀粉蛋白的积累超越正常水平是主要的AD致病因子。积累在老年斑块内的 Aβ淀粉蛋白对神经元是有毒性的。把突变的 APP和 PS基因表达在小鼠大脑里，也会造成老年斑积淀和随之而来的记忆衰退。
治疗AD
---- 按照前面所说Aβ淀粉蛋白的假说，要根治 AD，应从阻止 Aβ淀粉蛋白的积累沉淀着手。细胞制造和分泌 Aβ淀粉蛋白需要两种酶，其一是前面指出的PS 基因编码的r 分泌酶，另一是β分泌酶。现在许多制药公司都在竞相筛选能抑制这两种酶活性的分子，以作为治疗AD 的药物。另外，小鼠实验还表明用注射疫苗的方法也能达到阻止A β沉淀斑块的形成，并且能清除掉已形成的斑块，进而改善受影响的小鼠的记忆。但这些药物应用于人类仍需若干年时间，是否有效仍待验证。因为支持这些治疗方法的基础，即致病机理仍是一个没有完全确定的假说。
---- 另外一些探索则围绕着减缓病情的发展而进行。正如前所指出，这种减缓具有巨大的社会经济效益。现在经美国药检局FDA 批准使用的三种药物都与增加乙酰胆碱神经递质有关。因为大批乙酰胆碱神经元在AD 病人脑中死亡，这些药能起到一定程度的改善症状的作用。还有很多可能具有类似缓解性质的药物正在实验中，包括维生素E 及其它抗氧化剂、雌性激素、能刺激线粒体活性而增加生产细胞所需能量的分子，以及用于治疗其它精神病的药物，甚至通过发展计算机程序以协助病人提高学习和记忆能力，等等，真是无所不用其极，任何能缓解AD 的想法都在探索中。