在电影惊悚片《记忆碎片》中，主人公伦纳德能够记住妻子遇袭当晚头部受伤之前发生的一切，但他遇到的任何人或自那天晚上以来所做的任何事情都会简单地消失。他失去了将短期记忆转化为长期记忆的能力。伦纳德决心找到杀害他妻子的凶手并为她报仇，但永久地被困在现在，他不得不求助于将他的调查线索纹在全身。
这个令人不安的故事灵感来源于医学文献中仅被称为“HM”的真实病例。HM九岁时，一次自行车事故中的头部受伤使他患上了严重的癫痫。为了缓解其他任何方法都无法控制的癫痫发作，外科医生切除了HM的海马体和邻近的大脑区域。手术成功地减少了癫痫发作，但不慎切断了短期记忆和长期记忆之间神秘的联系。注定要进入被称为陈述性记忆的信息——人物、地点、事件——必须先经过海马体，然后才能记录在大脑皮层中。因此，HM大脑中早已储存的久远记忆仍然清晰，但他现在的所有经历很快就消失得无影无踪。HM每月都会去看医生，但在每次就诊时，就好像两人从未见过面一样。
这种从当下的精神体验到持久记忆的转变长期以来一直令神经科学家着迷。当你第一次被介绍时，一个人的名字会被存储在短期记忆中，并可能在几分钟内消失。但有些信息，比如你最好的朋友的名字，会被转化为长期记忆，并可以持续一生。大脑保存某些时刻而让另一些时刻消逝的机制最近变得更加清晰，但首先神经科学家必须解决一个核心悖论。
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长期记忆和短期记忆都来自神经元之间的连接，连接点称为突触，其中一个神经元的信号发射延伸，称为轴突，与相邻神经元数十个信号接收手指（称为树突）中的任何一个相遇。当创建短期记忆时，突触的刺激足以暂时“加强”或敏化它以响应后续信号。对于长期记忆，突触的加强变得永久。然而，自 20 世纪 60 年代以来，科学家们就意识到这需要神经元细胞核中的基因激活，从而启动蛋白质的生产。
记忆研究人员一直困惑于细胞核深处的基因活动如何控制遥远突触的活动。基因如何“知道”何时永久加强突触，何时让转瞬即逝的时刻消失？基因编码的蛋白质又如何“知道”加强数千个突触中的哪一个？同样的问题也对理解胎儿大脑发育具有影响，胎儿大脑发育是一个大脑决定保留哪些突触连接以及丢弃哪些突触连接的时期。在研究这种现象时，我的实验室提出了一个关于记忆之谜的有趣解决方案。就像多萝西一样，我们意识到答案一直都在那里。
基因记忆
早期的分子生物学家发现，基因在记忆从短期到长期的转化中发挥作用。他们对接受过简单任务训练的动物进行的实验表明，学习需要在训练后几分钟内在脑内合成新的蛋白质，否则记忆就会丢失[参见伯纳德·W·阿格拉诺夫的《记忆与蛋白质合成》；《大众科学》，1967 年 6 月]。
为了产生蛋白质，细胞核内的 DNA 片段必须转录成称为信使 RNA (mRNA) 的可携带形式，然后信使 RNA (mRNA) 传播到细胞的细胞质，细胞机制在那里将其编码的指令翻译成蛋白质。研究人员发现，阻止 DNA 转录成 mRNA 或 mRNA 翻译成蛋白质会阻碍长期记忆的形成，但短期记忆不受影响。[中断]
基因如何“知道”何时永久加强突触？
由于一个神经元可以形成数万个突触连接，并且不可能为每个突触连接都设置一个基因，因此细胞神经科学家试图解释细胞核如何控制这些单独连接的强度。他们推测，当突触受到充分刺激时，必须由突触产生一种未知的信号分子。当突触的连接暂时加强后，这个突触可以在短时间内保存记忆，同时信号分子离开，蜿蜒到达神经细胞的细胞核。在那里，这种信使分子将激活合成永久加强突触连接所需的蛋白质的适当基因。然而，第二个问题是，这种蛋白质一旦在神经元的细胞体中制造出来，如何才能在数千个突触中找到呼叫它的那一个。
到 20 世纪 90 年代中期，记忆研究人员对事件有了更详细的了解。他们中的几位已经表明，一种名为 CREB 的转录因子在将短期记忆转化为苍蝇和老鼠等远亲动物的长期记忆中起着关键作用。转录因子是细胞核内的主要蛋白质，它们寻找并结合 DNA 的特定序列。因此，它们是控制基因转录的最终开关。因此，神经元内 CREB 的激活会导致基因激活，从而导致神秘的突触增强蛋白质的制造，从而将短期记忆转化为长期记忆。
1997 年，德国联邦神经生物学、基因调控和可塑性研究所的 Uwe Frey 和爱丁堡大学的 Richard G. M. Morris 进行了精巧的实验，进一步表明，无论这些“记忆蛋白质”是什么，它们都不需要被寻址到特定的突触。它们可以广播到整个细胞，但只会影响已经暂时加强的突触，并使该连接永久更强。
这些启示仍然至少留下了一个更迫切的问题：突触到细胞核的信号分子是什么，它决定何时应激活 CREB 并保存记忆？大约在这个时候，我和我的同事们发现自己从不同的角度接近了与记忆研究人员相同的问题。我在美国国家儿童健康与人类发育研究所的实验室研究大脑如何在胎儿发育期间连接起来。因此，当记忆研究人员想知道精神体验如何影响基因，基因又如何影响某些突触连接时，我们想知道基因最初如何指定发育中的大脑中的所有数百万个连接。
我们和其他发育神经科学家已经怀疑精神体验可能在磨练大脑的布线计划中发挥一定作用。胎儿大脑可能从粗略的神经回路开始，该回路由基因指令指定。然后，随着幼小的大脑发育并测试这些连接，它将保留最有效的连接并消除较差的连接。但我们想知道，大脑如何识别哪些连接值得保留？
构建大脑
早在 1949 年，一位名叫唐纳德·赫布的心理学家就提出了一个简单的规则，该规则可以控制经验如何加强某些神经回路。受著名的巴甫洛夫狗实验的启发，赫布推测，同时放电的神经元之间的连接应该得到加强。例如，当铃声响起时放电的神经元和当食物同时出现时放电的附近神经元应该彼此之间连接更牢固，形成一个学习这两个事件是相关的细胞回路。
并非所有输入到神经细胞的输入都足够强大以使该细胞自身发出信号。神经元就像微处理器芯片，因为它通过树突接收数千个信号，并不断整合从这些连接接收到的所有输入。但与具有许多输出线的微处理器不同，神经元只有一条输出线，即轴突。因此，神经元只能以一种方式响应输入：它可以决定通过其轴突发射脉冲向电路中的下一个神经元发送信号，或者不发送信号。[中断]
当神经元接收到这样的信号时，其树突膜上的电压会略微向正方向变化。这种局部电压变化被描述为神经元突触的“放电”。当突触以短暂的高频脉冲放电时，就会发生短期记忆形成中观察到的暂时加强。但是，单个突触短暂放电通常不足以使神经元自身发射脉冲，技术上称为动作电位。然而，当神经元的许多突触一起放电时，它们的共同努力会使神经元膜的电压发生足够大的变化，从而使神经元发射动作电位并将信息传递到电路中的下一个神经元。
赫布提出，就像跟不上的管弦乐队演奏者一样，在神经元上与其他神经元输入不同步放电的突触会显得很奇怪，应该被消除，但同步放电的突触（足以使神经元发射动作电位）应该得到加强。因此，大脑会根据脉冲通过发育中的神经回路的流动来连接自身，从而完善最初的总体轮廓。
然而，从赫布的理论到理清这个过程的实际机制，人们再次面临一个事实，即在脑部布线期间加强或削弱突触连接的酶和蛋白质必须由特定的基因合成。因此，我们小组开始寻找激活这些基因的信号。
由于神经系统中的信息编码在大脑神经脉冲活动的模式中，我最初假设神经细胞中的某些基因必须通过脉冲放电模式来打开和关闭。为了验证这个假设，我实验室的一位博士后研究员 Kouichi Itoh 和我从胎鼠身上取出神经元，并在细胞培养中培养它们，在那里我们可以使用培养皿中的电极刺激它们。通过刺激神经元以不同的模式发射动作电位，然后测量已知在形成神经回路或适应环境方面重要的基因的 mRNA 量，我们发现我们的预测是正确的。我们可以通过在我们电生理刺激器上拨动正确的刺激频率来打开或关闭特定的基因，就像通过选择正确的信号频率来收听特定的广播电台一样。
时间码
一旦我们观察到神经元基因可以根据细胞发出的脉冲模式进行调节，我们就想研究一个更深层次的问题：细胞膜表面的电去极化模式如何控制神经元细胞核深处的基因？为了做到这一点，我们需要窥视细胞质，看看信息是如何从表面传递到细胞核的。
我们发现的不是一条从神经元膜通往细胞核的单一途径，而是一个高度互连的化学反应网络。就像通往罗马的道路迷宫一样，存在多条交叉的生化途径，它们在细胞质中穿梭，传递来自细胞膜的信号。膜上不同频率的电信号以某种方式流经细胞质中的这种交通，到达它们在细胞核中的正确目的地。我们想了解这是如何发生的。
最后，我们开始意识到重要的因素是时间
关于神经元膜电状态的信息进入细胞质化学反应系统的主要方式是通过调节钙离子通过细胞膜中电压敏感通道的流入。神经元生活在钙离子的虚拟海洋中，但在神经元内部，钙离子的浓度保持极低——比外部浓度低 20,000 倍。当神经元膜上的电压达到临界水平时，细胞会发射动作电位，导致钙离子通道短暂打开。随着每个神经脉冲的发射，允许钙离子涌入神经元，将电码转换为神经元内部细胞生物化学可以理解的化学代码。[中断]
就像多米诺骨牌一样，当钙离子进入细胞质时，它们会激活称为蛋白激酶的酶。蛋白激酶通过称为磷酸化的化学反应来激活其他酶，磷酸化作用将磷酸盐标签添加到蛋白质上。就像跑步者传递接力棒一样，带有磷酸盐标签的酶从休眠状态被激活，并刺激转录因子的活性。例如，CREB 被钙依赖性酶激活，这些酶使其磷酸化，并被去除磷酸盐标签的酶灭活。但细胞中有数百种不同的转录因子和蛋白激酶。我们想知道特定频率的动作电位放电如何通过钙通量来达到适当的蛋白激酶，并最终达到正确的转录因子来控制正确的基因。
通过用当细胞质中钙浓度升高时会发出绿光的染料填充神经元，我们能够跟踪不同的动作电位放电模式如何转化为细胞内钙的动态波动。一种简单的可能性是，基因转录可能受神经元中钙升高量的调节，不同的基因对不同水平的钙反应更好。然而，我们观察到一个更有趣的结果：神经元中钙的增加量在调节特定基因方面远不如钙闪烁的时间模式重要，这与产生它们的神经脉冲的时间码相呼应。
我实验室的另一位博士后研究员 Feleke Eshete 追踪了这些钙信号到它们激活的酶以及这些酶调节的转录因子，最终我们开始理解不同的神经脉冲模式如何通过不同的细胞内信号通路传输。重要的因素是时间。
我们发现，人们无法用简单的化学反应序列来表示从细胞膜到 DNA 的通路。在每一步，从钙进入膜开始，反应都分支成高度互连的信号通路网络，每个通路都有自己的速度限制，控制着它对间歇性信号的反应能力。这种特性决定了特定频率的动作电位将遵循哪个信号通路到达细胞核。
一些信号通路反应迅速且恢复迅速；因此，它们可以对高频动作电位模式做出反应，但不能维持对被长时间不活动间隔隔开的动作电位脉冲串的激活。其他通路则迟缓，对快速脉冲串反应不佳，但一旦激活，它们的失活缓慢意味着它们可以维持被长时间不活动间隔隔开的动作电位脉冲串之间的信号。因此，由此通路激活的基因将对重复但频率较低的刺激做出反应，例如将新信息提交到记忆所需的重复。
换句话说，我们观察到不同时间模式的信号通过对这些特定模式有利调节的不同通路传播，并最终调节不同的转录因子和不同的基因。例如，我们的测量结果表明，CREB 被动作电位快速激活，但在我们停止刺激神经元后失活缓慢。因此，CREB 将在重复的刺激脉冲串之间维持其激活状态，这些刺激脉冲串之间的时间间隔为 30 分钟或更长时间，类似于学习新技能或事实所需的练习时间间隔。
鉴于 CREB 在记忆中的作用，我们不禁想知道我们正在研究以了解大脑发育的信号通路是否也可能与记忆机制有关。因此，我们设计了一个测试。
培养皿中的记忆
如果从大鼠身上解剖出从 HM 患者身上切除的大脑部分——海马体，并将其保存在盐溶液中，则微电极和电子放大器可以记录来自神经元上各个突触连接的电脉冲。通过向突触施加一连串电击，使其以特定模式放电，可以加强该突触连接。也就是说，突触在接收到高频刺激后，对后续刺激产生的电压大约是原来的两倍。[中断]
这种增强的强度，称为长时程增强 (LTP)，尽管名称如此，但可能相对短暂。当在高频刺激后以一系列间隔施加测试脉冲时，突触产生的电压会在几个小时内缓慢降低至其原始强度。这种称为早期 LTP 的暂时性突触增强是短期记忆的细胞模型。
值得注意的是，如果重复应用相同的高频刺激（在我们的实验中是三次），突触就会永久加强，这种状态称为晚期 LTP。但是刺激不能一个接一个地重复。相反，每个刺激脉冲串必须间隔足够的不活动间隔（在我们的实验中为 10 分钟）。并且向沐浴脑切片的盐溶液中添加阻止 mRNA 或蛋白质合成的化学物质会导致突触在两到三个小时内减弱至其原始强度。正如在整个生物体中一样，短期记忆的细胞模型不依赖于细胞核，但长期形式的记忆是依赖于细胞核的。
事实上，Frey 和 Morris 已经使用这种技术表明，突触增强蛋白质会影响任何暂时加强的突触。首先，他们短暂地刺激一个突触以诱导早期 LTP，这通常只会持续几个小时。然后，他们以一种会在该突触中诱导晚期 LTP 的方式激发同一神经元上的第二个突触：三个脉冲串，间隔 10 分钟。结果，两个突触都被永久加强了。更强的刺激向细胞核发送信号，要求制造记忆蛋白质，而蛋白质“找到”了任何已经准备好使用它们的突触。
基于我们展示不同脉冲模式如何激活特定基因的工作，并回顾赫布的理论，即神经元的放电对于确定其哪些连接将被加强至关重要，我们质疑是否真的需要从突触发送到细胞核的信号分子来触发长期记忆的形成。相反，我们提出，当突触放电足够强或与其他突触同步放电，从而使神经元通过其轴突发射动作电位时，钙应该直接通过细胞体中电压敏感通道进入神经元，并激活我们已经研究过的通往细胞核中 CREB 激活的通路。
为了验证我们的理论，博士后 Serena Dudek 和我给脑切片施用了一种已知会阻止突触功能的药物。然后，我们通过使用电极直接刺激神经元的细胞体和轴突来使神经元发射动作电位。因此，神经元发射了动作电位，但这些神经元的突触输入无法发射。如果突触到细胞核的信号分子对于触发晚期 LTP（我们的长期记忆形成的细胞模型）是必需的，那么这个过程应该行不通，因为突触被药物沉默了。另一方面，如果到达细胞核的信号源于神经元发射动作电位，就像在我们的发育研究中一样，那么沉默突触应该不会阻止细胞核中记忆蛋白质基因的激活。
接下来，我们处理了脑组织，以确定转录因子 CREB 是否已被激活。事实上，在脑切片中被刺激在完全没有突触活动的情况下发射动作电位的小区域中，所有 CREB 都添加了一个磷酸分子，表明它已被切换到激活状态。
然后，我们检查了已知与 LTP 和记忆的产生相关的基因 zif268 的活性。我们发现，在没有任何突触刺激的情况下，海马神经元放电也将其打开。但是，如果我们在另一种阻断电压敏感钙通道的药物存在下进行相同的刺激（我们怀疑电压敏感钙通道是膜到细胞核信号的实际来源），我们发现 CREB 磷酸化、zif268 和与晚期 LTP 相关的蛋白质 MAPK 在神经元放电后均未被激活。[中断]
这些结果清楚地表明，不需要从突触到细胞核的信使。正如在我们的发育研究中一样，动作电位引起的膜去极化打开了神经元膜中的钙通道，激活了通往细胞核的信号通路，并打开了适当的基因。记忆以这种方式工作似乎很有道理。细胞核中的转录机制不是让神经元上的每个突触都向细胞核发送私人信息，而是监听神经元的输出，以决定是否合成记忆固定蛋白质。
分子《记忆碎片》
也许未被发现的突触到细胞核的信号分子确实以某种方式参与了记忆过程，但我们的实验表明它们并非绝对必要。正如赫布学习规则所预测的那样，神经元的放电（由细胞所有突触输入的组合激发引起）是巩固记忆的必要事件。
这种理解为我们日常的记忆体验提供了一个非常吸引人的细胞类比。就像《记忆碎片》中的伦纳德或任何犯罪现场的目击者一样，人们并不总是事先知道哪些事件应该永久地被记录在记忆中。在当下运作所需的即时记忆可以通过单个突触强度的瞬时调整来很好地处理。但是，当一个事件足够重要或重复足够多次时，突触放电会使神经元反过来反复强烈地发射神经脉冲，声明“这是一个应该记录的事件”。相关基因被打开，当突触增强蛋白质找到它们时，那些保存短期记忆的突触实际上会被“纹身”。