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在斬首和化蛹為蝶中被移植的記憶

來源:澎湃新聞 2020-02-14 13:54   http://www.147933.live/

如果一條無頭蠕蟲可以重生記憶,那么記憶是儲存在何處?如果記憶可以再生,你會轉移記憶嗎?? Rattiya Thongdumhyu / Shutterstock

利維坦按:

上世紀20年代美國心理學家卡爾·拉什利(Karl Lashley)針對大鼠的記憶實驗表明,記憶并不是存儲在大腦皮層的特定部位,而是分布于整個大腦中。這之后,神經外科醫生懷爾德·彭菲爾德(Wilder Penfield)在對癲癇患者的手術中發現,顳葉對于記憶的存儲至關重要。當給予一定的電刺激或者化學刺激時,兩個神經細胞之間的突觸傳遞會增強,有時甚至會出現新的突觸。也許增強的突觸或形成的新突觸,可能就是保存了新記憶。

當然,如果真像本文中格蘭茲曼假設的那樣,神經突觸的細胞核或許將成為超人類主義者以及科幻作家的大愛:畢竟,即便未來實現了肉身復制,可之前稱為“我”的人格主體/長期記憶怎么移植到新的肉身上,仍是一個很大的謎團。

有關記憶的研究一直是前沿科學課題中令人陌生的偏遠分支。

上世紀50年代,密歇根大學一位不知名的心理學教授憑借著一系列在一種名叫渦蟲(planaria)的淡水扁形蟲身上所作的實驗占據了新聞頭條,并最終名聲大振,他名叫詹姆斯·麥康奈爾(James McConnell)。

按照麥康奈爾所述,這些蟲子吸引他,不僅因為它們“擁有真正突觸型的神經系統”,還因為它們有“強大的再生能力……在最佳條件下,單個蟲體最多可以被切成50塊,”每一塊都能再生成“一個完整的、功能齊全的生物體”。

? Tufts University

在他的早期實驗中,麥康奈爾通過伴有閃光的電擊方式訓練這些“巴普洛夫的蠕蟲”,最終他發現這些蠕蟲只會對光感到畏懼。在他把這些蟲子切成兩半后,有趣的事情發生了。蠕蟲有頭部的那一半長出了尾巴,而且保留了有關先前訓練的記憶,這是很好理解的。但令人驚訝的是,保有尾巴的那一半長出了頭和大腦之后也保留了訓練的記憶。

麥康奈爾很好奇,如果一條無頭的蠕蟲可以再生記憶,那么記憶到底儲存在哪里。并且,如果記憶可以再生,他能轉移記憶嗎?

或許的確是這樣的。上世紀60年代,瑞典神經生物學家霍爾格·海?。℉olger Hydén)指出,記憶儲存在神經元細胞中,更具體來說,是在核糖核酸(RNA)中。RNA作為信使分子,攜帶來自脫氧核糖核酸(DNA)的指令,與核糖體結合形成蛋白質,構建生命的基礎。

麥康奈爾對海丁的研究產生了興趣,他通過將受過訓練的渦蟲部分移植到未經訓練的渦蟲身上,來測試某種被他稱為“記憶RNA”的分子。他的目標是將RNA從一條渦蟲移植到另一條身上,但由于很難將要移植的部分植入渦蟲身體,他轉而選擇一種“更令人驚訝的組織移植,那就是“同類相食性攝入””。恰好渦蟲是會同類相食的生物,所以麥康奈爾只需要攪拌受過訓練的渦蟲,并喂給沒有訓練的同類吃。(渦蟲缺乏能完全分解食物的酸和酶,因此麥康奈爾希望食用同類的蠕蟲可以融合某些RNA。)

令人驚訝的是,麥康奈爾宣稱,受過訓練的渦蟲被吃掉后使未受訓練的渦蟲也學會了畏光。在其他實驗中,他還訓練渦蟲穿過迷宮。為了在兩只渦蟲之間轉移記憶,麥康奈爾甚至發明了一種技術,用于提取受過訓練的渦蟲身上的DNA,并將其植入未受訓練的渦蟲中。

(blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2018/10/08/the-cannibalistic-worm-controversy/)

? Tal Shomrat/Michael Levin

在于1988年退休后,麥康奈爾逐漸離開了公眾視野,他的研究作為一個有趣但只是建議性的案例被歸入到教科書的側邊欄中。許多科學家僅憑無法訓練渦蟲一類的無脊椎動物這一點,就輕易否定了麥康奈爾的研究。麥康奈爾也將他的一些研究和科幻笑話及漫畫一起,發表在他自己的刊物《奔跑的蠕蟲文摘》(The Worm Runner”s Digest)上,所以,并沒有多少人有興趣試圖復制他的發現。

? Alembic Rare Books

然而,麥康奈爾的研究最近開始了某種復興,一些富有創新精神的科學家繼續了他的工作,其中一位名叫邁克爾·萊文(Michael Levin),他是是塔夫茨大學一位專攻肢體再生的生物學家。他以更現代化和自動化的方式重復了麥康奈爾訓練渦蟲穿越迷宮的實驗。

邁克爾·萊文已經創造了很多奇特的生物,比如這只擁有三只眼的青蛙(第三只眼靠近背部以及左后肢處)。這只青蛙出生于2011年8月,到2014年5月仍然生活正常。這項研究的重點是動物細胞在胚胎發育以及細胞和組織再生過程中交互的方式。? Daily Mail

渦蟲本身就很受歡迎。在萊文剪掉蠕蟲的尾巴,通過切口發射生物電流,促使蠕蟲在尾巴的位置長出了另一個頭(這為萊文贏得了“年輕版弗蘭肯斯坦”的可愛綽號)之后,渦蟲本身也前所未有地受到歡迎。他還曾經把15只蠕蟲送入太空,有一只回來后神奇地擁有了兩個頭(“顯然”,萊文和他的同事寫道,“在淡水中將雙頭蠕蟲截斷,雙頭表征會再次出現?!保?。

(jeb.biologists.org/content/216/20/3799)

通過切口發射生物電流,使得渦蟲擁有了兩個頭(中)和兩個尾(下)的形態。? Mike Levin

近期,加州大學洛杉磯分校的神經生物學家大衛·格蘭茲曼(David Glanzman)另一個很有前景的研究項目使人們聯想起麥康奈爾的記憶實驗——盡管格蘭茲曼的實驗室主要研究的是海蛞蝓,而不是渦蟲。這種軟體動物是神經科學中的寵兒,因為它的神經系統相對簡單。(海蛞蝓,又被稱為“海兔”,是海洋中一種動作遲緩的動物,其體型龐大,可分泌墨汁,用波狀有褶翅膀會游泳。)

2015年,格蘭茲曼正在檢驗教科書中認為記憶存儲在突觸中的理論,突觸是神經元之間起連接作用的接點。他的團隊試圖在海蛞蝓身上創造和抹去記憶,通過定期進行溫和的電擊來訓練這種軟體動物,延長其一種反射。即一旦海蛞蝓被電擊,就會收起虹吸管,那是鰓和尾巴之間的一條小呼吸管。

他的實驗室發現,訓練后海蛞蝓的觸覺感覺神經元和觸發虹吸管撤退反射的運動神經元之間長出了新的突觸。這些神經元之間的連接性在訓練后增強,似乎證實了記憶儲存在突觸連接中的理論。

格蘭茲曼的團隊又試圖通過破壞神經元之間的突觸連接來消除訓練的記憶,海蛞蝓隨后果然表現得就像失去了記憶,進一步證實了突觸記憶理論。在格蘭茲曼的團隊對海蛞蝓實施“提醒性”電擊后,研究人員驚訝地發現,神經元之間生長出不同的、更新的突觸連接。海蛞蝓隨后重新表現得好像它們記起了之前似乎已經忘記的訓練。

格蘭茲曼認為,如果記憶在如此重大的突觸變化中一直存在,而通過訓練出現的突觸連接消失、變得面目全非,并由完全不同的新連接取而代之,那么記憶可能并沒有真正存儲在突觸中。

(www.eneuro.org/content/5/3/ENEURO.0038-18.2018)

這個實驗看起來表達了電影《美麗心靈的永恒陽光》(Eternal Sunshine of the Spotless Mind)中的某些東西,在這部電影中,分手后試圖忘記對方的情侶通過一種不恰當的方式刪除了關于對方的記憶,但并沒有刪除到無法回憶的地步。這對情侶都將在蒙托克見面的計劃隱藏在內心深處。在某種程度上,這部電影暗示著記憶永遠不會完全丟失,記憶總是有可能回來,即使是似乎被遺忘了很久的人和地方。

最終,盡管《美麗心靈的永恒陽光》對記憶科學進行了異想天開的夸張描述,但影片本身可能無意中提出了一個正確的假設。? Focus Features / Universal / Rosenfeld Media / Flickr

但是,如果記憶沒有存儲在突觸連接中,它們到底存儲在哪里呢?格蘭茲曼提出了一個并不受歡迎的假設是:它們可能駐留在神經細胞的細胞核中,DNA和RNA序列在那里形成生命過程的指令。

DNA序列是固定不變的,因此有機體的適應性大部分來自靈活的表觀遺傳機制,即對環境信號或壓力做出反應,調節基因表達的過程,這一過程有時還會涉及RNA。如果DNA是印刷樂譜,RNA誘導的表觀遺傳機制就像可能包含了學習和記憶的即興刪減和改編。

也許記憶駐留在由RNA誘導的表觀遺傳變化中,這種即興的分子可以確保有機體基于蛋白質的適應結果。格蘭茲曼的團隊將目光轉回海蛞蝓,用兩天多的時間來訓練它們延長虹吸管撤退反射。然后,他們解剖海蛞蝓的神經系統,提取與形成訓練記憶有關的RNA,并將其注射到未經訓練的海蛞蝓中,一天后測試其學習結果。

格蘭茲曼的研究小組發現,來自受訓海蛞蝓的RNA可以誘發學習,而未受訓海蛞蝓的RNA沒有任何效果。仿佛有些含糊但又很真切地,格蘭茲曼的團隊已經將記憶從一只動物轉移到另一只身上,并且他們有強有力的證據證明RNA是記憶傳遞的中介。

現在,格蘭茲曼認為,突觸是激活記憶所必需的,但記憶需要在神經元的細胞核中通過表觀遺傳變化進行編碼?!斑@就像一個沒有手的鋼琴家,”格蘭茲曼說,“他可能知道如何演奏肖邦,但他需要雙手來鍛煉記憶力?!?/p>

塔夫茨大學艾倫研究中心的科學家道格拉斯·布萊克斯頓(Douglas Blackiston)研究過昆蟲的記憶,他的研究也描繪了類似的結果。他想知道一只蝴蝶是否能記住毛毛蟲時期一些生活,所以他將毛毛蟲暴露在乙酸乙酯的氣味中,隨后對其進行溫和的電擊。在對乙酸乙酯產生厭惡之后,毛毛蟲化蛹,幾周后變成成年蝴蝶,然后再測試它們對厭惡訓練的記憶。

令人驚訝的是,成年蝴蝶居然還記得——但它們是如何記住的呢?整個毛毛蟲在蛻變成蝴蝶之前會以細胞質汁形式存在?!爸厮艿倪^程是毀滅性的,”布萊克斯頓說,“畢竟,毛毛蟲是從爬行動物轉向飛行動物。不只是身體,整個大腦都要重新布線?!?/p>

(journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0001736)

? Imgur

我們很難準確研究毛毛蟲體內化蛹過程中到底發生了什么,但毛毛蟲的一組神經元可能會保留在所謂的“蘑菇體”(譯者注:“蘑菇體”又叫蕈形體,是昆蟲前腦的主要部分)中,這是一對與嗅覺有關的結構,存在于許多昆蟲的觸角附近。換句話說,一些結構仍然保留了下來?!斑@不是細胞湯汁,”布萊克斯頓說,“好吧,也許是湯汁,但很穩定?!?/p>

在化蛹期間,毛毛蟲的神經元幾乎被徹底精簡,剩下的少數神經元與其他神經元斷開連接,在此期間它們之間的突觸連接被溶解,直到重塑蝴蝶大腦時,留下的神經元才會與其他神經元重新連接。

和格蘭茲曼一樣,布萊克斯頓也用了一個手的比喻:“這就像是一小群神經元手牽著手,隨后它們松開手四處流動,最終與新大腦中的不同神經元重新連接?!比绻洃洿鎯υ谀硞€地方,布萊克斯頓懷疑它存儲在蘑菇體中的某組神經元中,蘑菇體是從毛毛蟲到蝴蝶的過程中唯一已知的留存結構。

最終,盡管《美麗心靈的永恒陽光》對記憶科學進行了異想天開的夸張描述,但影片本身可能無意中提出了一個正確的假設。格蘭茲曼和布萊克斯頓相信,他們的實驗不僅為阿爾茨海默氏癥患者帶來了希望,而且還有可能修復退化的神經元,這些神經元至少在理論上可以在適當的RNA的指導下找回丟失的記憶。

文/Marco Altamirano

譯/火龍果

校對/Carlyle

原文/nautil.us/blog/memories-can-be-injected-and-survive-amputation-and-metamorphosis

本文基于創作共同協議(BY-NC),由火龍果在利維坦發布

文章僅為作者觀點,未必代表利維坦立場原標題:《在斬首和化蛹為蝶中被移植的記憶》

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