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視覺刺激對海馬可塑性和學(xué)習(xí)記憶功能的影響
隨著神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展，行為學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)和概念都面臨新挑戰(zhàn)，下面是小編搜集整理的一篇探究視覺刺激對海馬可塑性和學(xué)習(xí)記憶功能影響的論文范文，歡迎閱讀參考。
1引言
感官刺激對個(gè)體生存和發(fā)展發(fā)揮著關(guān)鍵的作用.所有感官刺激中,視覺刺激是機(jī)體接受外界信息的主要來源,占所有感覺傳入信息的80%以上[1].腦的發(fā)育受基因和后天環(huán)境因素的綜合作用.腦的高級智能活動(dòng)學(xué)習(xí)記憶是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下接受外界信息,在腦內(nèi)貯存、提取并影響自身行為的極其復(fù)雜的神經(jīng)過程[2-3].研究發(fā)現(xiàn),視知覺學(xué)習(xí)可以通過NO-cGMP和cAMP等信號途徑促進(jìn)長期記憶[3],視知覺處理功能異常會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)障礙[4],但是其具體機(jī)制尚不明確.海馬是學(xué)習(xí)記憶的中心,海馬的可塑性是腦認(rèn)知科學(xué)的研究熱點(diǎn).
除了突觸的可塑性和突觸的長時(shí)程增強(qiáng)(long-termpotentiation,LTP)機(jī)制外,海馬成體神經(jīng)干細(xì)胞(neuralstemcells,NSCs)再生也可促進(jìn)海馬的可塑性,對學(xué)習(xí)記憶發(fā)揮著重要作用[5-6].研究[7]表明,海馬依賴性學(xué)習(xí)(如圖形分辨)、環(huán)境強(qiáng)化(如視、聽、觸覺刺激)以及強(qiáng)迫性和自主性體能鍛煉能促進(jìn)海馬神經(jīng)細(xì)胞再生及腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derivedneurotrophicfactor,BDNF)的表達(dá)并激活其介導(dǎo)的多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,促進(jìn)學(xué)習(xí)和記憶.然而,學(xué)習(xí)記憶的作用機(jī)制仍未完全闡明.該文介紹一種新的視覺刺激模式---觸屏式視覺識(shí)別學(xué)習(xí)系統(tǒng),分析視覺刺激對海馬可塑性和學(xué)習(xí)記憶功能的影響,探討如何通過改善視覺刺激條件提高海馬學(xué)習(xí)記憶功能.
2動(dòng)物視覺學(xué)習(xí)記憶行為評價(jià)新模式---觸屏式視覺識(shí)別學(xué)習(xí)系統(tǒng)的建立
行為學(xué)分析是判斷學(xué)習(xí)記憶功能的重要手段.目前對動(dòng)物學(xué)習(xí)記憶的行為學(xué)評價(jià)測試裝置大多是利用動(dòng)物覓食、求生、逃避傷害、喜暗惡明等特點(diǎn)設(shè)計(jì)的.學(xué)習(xí)方式主要包括2種:一是防御性回避學(xué)習(xí),如穿梭箱、爬桿、電擊等;二是辨別性學(xué)習(xí),如各類迷宮,其中Morris水迷宮雖然被作為學(xué)習(xí)記憶功能評價(jià)的"金標(biāo)準(zhǔn)",但其耗時(shí)長、體耗大,不能真正體現(xiàn)動(dòng)物的學(xué)習(xí)情形,尤其不適合老年動(dòng)物,這顯然不利于對學(xué)習(xí)記憶及腦認(rèn)知干預(yù)的深入研究[8].
隨著神經(jīng)科學(xué)的快速發(fā)展,行為學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)和概念都面臨新挑戰(zhàn).如何將傳統(tǒng)的行為學(xué)研究方法和最新的理論技術(shù)相結(jié)合,為學(xué)習(xí)記憶功能調(diào)控研究提供更合適的模型是今后發(fā)展的重要方向.
依賴視覺系統(tǒng)的感知功能,哺乳動(dòng)物分辨所見物體的特征,經(jīng)腦皮質(zhì)過濾、篩選、處理和加工,形成對學(xué)習(xí)和記憶有重要意義的綜合視知覺[1].因此,視覺學(xué)習(xí)的腦機(jī)制探索是深化腦科學(xué)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵.在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究中,視覺刺激是最常用的環(huán)境因素.近年來,一種新的適合嚙齒動(dòng)物視覺學(xué)習(xí)的觸屏式學(xué)習(xí)測試方法先后被美國和英國報(bào)道.這種方法通過電腦屏幕上的不同圖形對鼠進(jìn)行視覺刺激,動(dòng)物鼻觸或微壓開關(guān)做出應(yīng)答,并結(jié)合獎(jiǎng)懲機(jī)制,分辨正確時(shí)將瞬時(shí)得到食物獎(jiǎng)賞,錯(cuò)誤時(shí)給予懲罰.這是一種刺激-反應(yīng)-反饋一體化的自動(dòng)控制方法,具有許多優(yōu)點(diǎn):①人和鼠都適用,有利于人、鼠模型的轉(zhuǎn)化.②可控性較好.③同一裝置可用于多種認(rèn)知實(shí)驗(yàn),有利于比較.④電腦自動(dòng)化控制,精確性好.⑤易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化.⑥以食物為獎(jiǎng)勵(lì)增加了食欲,適用于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物.⑦體能消耗低.⑧能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到良好的訓(xùn)練效果,適合高通量研究.
觸屏式視覺識(shí)別學(xué)習(xí)系統(tǒng)是一種在大鼠主動(dòng)愉悅的學(xué)習(xí)過程中實(shí)時(shí)、簡便、高效地評價(jià)其認(rèn)知功能的模型,已在行為學(xué)、疾病模型和藥學(xué)領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用.此外,還發(fā)現(xiàn)各種優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的方法:①確定并減少各種自發(fā)刺激偏離因素,如大鼠本身對某些刺激產(chǎn)生偏好.②設(shè)計(jì)合理的刺激圖形.③增加實(shí)驗(yàn)間隔,增加每輪的刺激次數(shù).④選擇合適的獎(jiǎng)賞食物種類等[9].
3海馬成體NSCs的可塑性與學(xué)習(xí)記憶功能的關(guān)系
以往研究[10]發(fā)現(xiàn),神經(jīng)元之間突觸的可塑性是學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ),LTP是學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)細(xì)胞學(xué)機(jī)制.然而,包括人在內(nèi)的成年哺乳動(dòng)物海馬顆粒下區(qū)(SGZ)/齒狀回(DG)和側(cè)腦室管膜下區(qū)/嗅球2個(gè)特定區(qū)域存在大量NSCs,這打破了成體腦神經(jīng)細(xì)胞不能再生的觀點(diǎn).海馬是公認(rèn)的學(xué)習(xí)和記憶的中心,所以海馬區(qū)NSCs再生是腦可塑性的重要體現(xiàn),是學(xué)習(xí)和記憶研究的熱點(diǎn)[11].
3.1海馬NSCs再生的過程海馬NSCs再生可發(fā)生在整個(gè)生命過程,包括5個(gè)過程:SGZ前體細(xì)胞的激活、前體細(xì)胞和中間細(xì)胞的增生、NSCs的產(chǎn)生、未成熟神經(jīng)元的整合和DG成體顆粒神經(jīng)元的成熟[10].在再生過程中,新生的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生一系列的變化[12],包括形態(tài)學(xué)的改變和功能的改變[13],此過程中大多數(shù)細(xì)胞凋亡,只有10%~50%的細(xì)胞存活數(shù)周或終生,并分化為顆粒細(xì)胞,整合到海馬的神經(jīng)環(huán)路[14].成熟顆粒細(xì)胞具有典型的三級突觸海馬環(huán)路[15].與成熟顆粒細(xì)胞相比,新生神經(jīng)元具有特別的神經(jīng)環(huán)路.起初新生神經(jīng)元接受成熟顆粒細(xì)胞的神經(jīng)支配和CA3區(qū)錐形細(xì)胞的直接反饋,約1個(gè)月后主要接受由周邊或側(cè)邊內(nèi)皮層輸入的信息,因?yàn)橹苓吇騻?cè)邊內(nèi)皮層是整合特殊感官和環(huán)境信息的重要部位,所以新生神經(jīng)元這種特別的神經(jīng)通路決定了其特異的功能[16].
3.2海馬NSCs再生的影響因素通常海馬以極低的速度發(fā)生神經(jīng)再生,但在一些內(nèi)外部環(huán)境作用下新生細(xì)胞數(shù)量可發(fā)生很大改變.研究[17]證明海馬依賴的學(xué)習(xí)任務(wù)促進(jìn)海馬神經(jīng)細(xì)胞再生,但同時(shí)也受多種其他因素的影響,如未成熟神經(jīng)元的年齡.研究[18]發(fā)現(xiàn),只有在特定階段的新生神經(jīng)細(xì)胞(小鼠4周左右,大鼠11~15d)接受學(xué)習(xí)才能促進(jìn)新生細(xì)胞的存活,之后才能通過檢測即早基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn)特定時(shí)間窗(小鼠4~10周,大鼠16~20d[19-20])的新生神經(jīng)元被激活,參與記憶鞏固和重拾,而在時(shí)間窗之前還未形成LTP和記憶鞏固所需要的神經(jīng)聯(lián)絡(luò).研究[21]也指出,在時(shí)間窗之前新生神經(jīng)元的神經(jīng)通路還未建立,而之后細(xì)胞穩(wěn)定的生存能力不再改變,因此新生細(xì)胞的成熟過程是決定海馬依賴性學(xué)習(xí)是否影響以及如何影響細(xì)胞生存的一個(gè)關(guān)鍵因素.海馬依賴的學(xué)習(xí)任務(wù)對海馬NSCs再生的作用還受多種內(nèi)外部因素的影響,如種別[22]、性別[23]、年齡[24]和藥物[25]等,適當(dāng)學(xué)習(xí)任務(wù)的種類和復(fù)雜程度的學(xué)習(xí)[26]、體能鍛煉[27]、環(huán)境強(qiáng)化[28]可明顯促進(jìn)海馬NSCs再生,促進(jìn)生理狀態(tài)下的認(rèn)知甚至改善病理狀態(tài)下的認(rèn)知障礙.
3.3海馬NSCs再生對學(xué)習(xí)記憶的影響Deng等.在綜述中提到,在14個(gè)研究中分別用X線照射、細(xì)胞增殖抑制劑、遺傳基因操作等阻遏神經(jīng)細(xì)胞再生,然后進(jìn)行后續(xù)的認(rèn)知學(xué)測試,其中8個(gè)研究中未發(fā)現(xiàn)空間學(xué)習(xí)的獲得障礙,而5個(gè)研究中發(fā)現(xiàn)有認(rèn)知障礙,還有1個(gè)研究中發(fā)現(xiàn)不影響在Morris水迷宮中的學(xué)習(xí)而影響在巴恩斯迷宮中的學(xué)習(xí).這些研究中有的也報(bào)道了記憶功能,其中3個(gè)研究中未發(fā)現(xiàn)短期和長期記憶的缺陷,而8個(gè)研究中有缺陷.
這些研究結(jié)果并不一致,神經(jīng)細(xì)胞再生和學(xué)習(xí)記憶的因果關(guān)系也并未明確.然而進(jìn)一步分析表明,神經(jīng)細(xì)胞再生在圖案分辨這個(gè)特定的海馬依賴性學(xué)習(xí)記憶過程中發(fā)揮著重要的作用,但由于不同的實(shí)驗(yàn)方法、工具和任務(wù)對測試的圖案分離能力的要求不同,導(dǎo)致得出神經(jīng)細(xì)胞再生和學(xué)習(xí)記憶關(guān)系不一致的結(jié)論.明確了神經(jīng)細(xì)胞再生和圖案分離的因果關(guān)系后發(fā)現(xiàn),只有那些對圖案分離能力要求高的研究才會(huì)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞再生與學(xué)習(xí)記憶的因果關(guān)系,即去除了神經(jīng)細(xì)胞再生,學(xué)習(xí)記憶受損.研究[29]發(fā)現(xiàn),增加成體海馬神經(jīng)細(xì)胞再生能提高圖案分辨認(rèn)知能力,但是當(dāng)區(qū)別很大或者是不同的環(huán)境時(shí),認(rèn)知獲得能力并沒有提高.總之,受各種誘導(dǎo)因素從成體NSCs分化而來的新生神經(jīng)細(xì)胞對海馬依賴性學(xué)習(xí)記憶任務(wù)的執(zhí)行具有明顯的促進(jìn)作用.雖然神經(jīng)細(xì)胞再生對學(xué)習(xí)記憶不是必須的,但其對學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用不可忽略.
還有研究[29]提出,輕微減少海馬神經(jīng)細(xì)胞再生并不明顯影響動(dòng)物的記憶功能,只有將神經(jīng)細(xì)胞再生降低到一定程度才會(huì)損傷海馬依賴的學(xué)習(xí)記憶.海馬DG的信息處理是否大部分由成體新生神經(jīng)元完成?為什么少量的新生神經(jīng)元就能影響整個(gè)大腦的功能?有研究[30-31]通過檢測即早基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn),海馬內(nèi)新生的神經(jīng)元興奮性較高,對輸入信號靈敏,受γ氨基丁酸能神經(jīng)遞質(zhì)抑制性影響小,更容易被激活,而且,新生的神經(jīng)元能迅速整合于海馬網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)海馬學(xué)習(xí)和記憶.此外,新生神經(jīng)元還能通過選擇性激活多種調(diào)節(jié)通路與許多不同的中間神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系,并可調(diào)控其他腦區(qū)功能.因此,少量的新生神經(jīng)元就能對整個(gè)大腦的學(xué)習(xí)記憶功能產(chǎn)生重要作用.
4通過BDNF分子信號對學(xué)習(xí)記憶功能的調(diào)控
BDNF是神經(jīng)營養(yǎng)家族的一員,BDNF與其受體TrkB結(jié)合后介導(dǎo)多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,發(fā)揮多種生物學(xué)作用,影響學(xué)習(xí)記憶[32].其中,在成熟神經(jīng)元,BDNF參與突觸的產(chǎn)生、維持和修飾等結(jié)構(gòu)性調(diào)節(jié),并通過增加突觸的密度和樹突的分枝促進(jìn)神經(jīng)形態(tài)學(xué)改變[33];BDNF還參與神經(jīng)傳遞、受體活性等功能性調(diào)節(jié),并促進(jìn)突觸的可塑性[34].在未成熟神經(jīng)元,BDNF調(diào)控神經(jīng)元的增生、神經(jīng)前體細(xì)胞和新生神經(jīng)元的分化、成熟、生存和再生[35].BDNF是介導(dǎo)海馬神經(jīng)細(xì)胞再生與學(xué)習(xí)記憶的一個(gè)不可忽視的中間變量,它直接參與調(diào)控海馬的可塑性,是管理學(xué)習(xí)記憶的一個(gè)重要活性因子.BDNF具有獨(dú)特的維持神經(jīng)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)記憶功能環(huán)路的耦合作用,BDNF水平的動(dòng)態(tài)變化與認(rèn)知程度密切相關(guān)[36].研究[37-38]發(fā)現(xiàn),強(qiáng)迫性和自覺性鍛煉都能增加海馬空間學(xué)習(xí)記憶能力和增強(qiáng)BDNF、TrkB及其介導(dǎo)的下游信號分子的表達(dá)水平.同樣阻抗訓(xùn)練可提高海馬BDNF、CREB表達(dá)并激活mTOR[39].此外,Sun等[40]發(fā)現(xiàn)環(huán)境強(qiáng)化通過提高BDNF的表達(dá)促進(jìn)老年癡呆小鼠認(rèn)知能力的恢復(fù).而視覺學(xué)習(xí)訓(xùn)練是否能通過BDNF介導(dǎo)的信號途徑影響海馬神經(jīng)細(xì)胞再生及學(xué)習(xí)記憶還有待于進(jìn)一步研究.
5結(jié)論
海馬可塑性除了既往普遍認(rèn)為的突觸可塑性外,以成體神經(jīng)細(xì)胞再生為標(biāo)志的細(xì)胞可塑性豐富和補(bǔ)充了海馬的可塑性.破壞神經(jīng)細(xì)胞再生會(huì)導(dǎo)致相關(guān)認(rèn)知障礙,而學(xué)習(xí)、環(huán)境增強(qiáng)和運(yùn)動(dòng)鍛煉能促進(jìn)神經(jīng)再生,再生的神經(jīng)細(xì)胞又反過來提高海馬學(xué)習(xí)記憶功能并拯救因海馬神經(jīng)細(xì)胞再生能力降低所致的記憶障礙.因此,學(xué)習(xí)訓(xùn)練和海馬神經(jīng)細(xì)胞再生相互促進(jìn).分子學(xué)上,介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞再生和學(xué)習(xí)記憶的一個(gè)關(guān)鍵因子BDNF通過多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑影響海馬神經(jīng)細(xì)胞可塑性,調(diào)節(jié)與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯,是促進(jìn)學(xué)習(xí)記憶的一個(gè)重要的中間變量.視知覺學(xué)習(xí)作為一種特殊的學(xué)習(xí)方式能夠促進(jìn)記憶功能,這為研究腦認(rèn)知科學(xué)展開新的視角,但也提出許多挑戰(zhàn)性的問題.
參考文獻(xiàn)
[1]KimS,JenesonA,vanderHorstAS,etal.Memory,visualdiscriminationperformance,andthehumanhippocampus[J].JNeurosci,2011,31(7):2624
[2]ParkS,ChunMM,JohnsonMK.Refreshingandintegratingvisualscenesinscene-selectivecortex[J].JCognNeuros-ci,2010,22(12):2813
[3]MatsumotoY,HirashimaD,TeraoK,etal.RolesofNOsig-nalinginlong-termmemoryformationinvisuallearninginaninsect[J].PLoSOne,2013,8(7):e68538[4]KollerHP.Visualprocessingandlearningdisorders[J].CurrOpinOphthalmol,2012,23(5):377
[5]DengW,AimoneJB,GageFH.Newneuronsandnewmem-ories:howdoesadulthippocampalneurogenesisaffectlearningandmemory?[J].NatRevNeurosci,2010,11(5):339
[6]KoehlM,AbrousDN.Anewchapterinthefieldofmemo-ry:adulthippocampalneurogenesis[J].EurJNeurosci,2011,33(6):1101
[7]YauSY,LauBW,ZhangED,etal.Effectsofvoluntaryrun-ningonplasmalevelsofneurotrophins,hippocampalcellproliferationandlearningandmemoryinstressedrats[J].Neuroscience,2012,222:289
[8]MutluO,UlakG,CelikyurtIK,etal.Effectsofolanzapine,sertindoleandclozapineonlearningandmemoryintheMorriswatermazetestinnaiveandMK-801-treatedmice[J].PharmacolBiochemBehav,2011,98(3):398
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