鉴于我们的突触不断活动，形成记忆似乎是一个难题。我们大脑中神经细胞之间的这些连接，定期来回传递化学信息，据说我们的记忆也分布在其中。然而，无论分子如何持续交换，我们的记忆仍然保持稳定。根据犹他大学一对研究人员的说法，突触中支架蛋白的存在将我们的人生经验锚定在大脑活动的混乱之中。
研究人员已经达成共识，在数小时到数天的尺度上，突触通过以下两种过程之一发生化学变化：长时程增强 (LTP)，突触的加强；或长时程抑制 (LDP)，突触的减弱。然而，关于是什么决定了这种强度如何变化，仍然存在争议。该过程的关键之一似乎是 AMPA 受体蛋白的数量，AMPA 受体蛋白与谷氨酸结合，谷氨酸是一种兴奋性神经递质，据信参与学习和记忆。研究人员观察到 AMPA 从神经元内部移动到突触的下游末端，但他们仍然不确定进入和离开突触的迁移是否是决定突触强度的主要因素。“有很多数据实际上测量了 LTP/LTD 期间突触强度随时间如何变化，”理论神经科学家保罗·布雷斯洛夫说，他使用微分方程系统来模拟 AMPA 受体的运动。“他们知道这些事情会发生，他们对事物如何组合在一起提出假设，但他们没有做任何定量研究来验证它是否真的可行。而这基本上就是我们所做的。”
布雷斯洛夫与数学生物学家伯顿·恩肖一起，将树突棘——神经元下游末端的蘑菇形状——设想为一个双隔室盒子：在最远端的下游，基本上在突触中，支架蛋白悬挂着 AMPA 受体，以便它们可以结合来自上游神经元的谷氨酸信号。另一端则向下通往树突进入神经元的主体。该小组设计了 10 个微分方程来跟踪 AMPA 进入和离开突触的速率。他们在模型中的主要假设之一是隔室之间的扩散很快，并且事物会迅速达到平衡。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
布雷斯洛夫和恩肖发现，在 LTP 的诱导阶段——当一次经历或刺激引发学习时——新的 AMPA 受体被“推入”突触以与谷氨酸进行通信，布雷斯洛夫说。这一事件通常与流入细胞的钙离子增加有关。然而，布雷斯洛夫解释说，钙离子浓度的变化发生得太快，无法形成记忆——由于快速平衡，它会在一分钟内得到解决。“你需要不同时间尺度的机制来使记忆稳定，”他指出。“支架蛋白所做的是将短期记忆转化为可以持续数小时的事物。”
虽然该团队的模型证明，在神经元的远端下游（并进入突触）对 AMPA 受体可用的支架蛋白的数量在 LTP 期间增加，但他们发现 LDP 的情况正好相反。因此，决定突触强度的似乎不是 AMPA 受体本身的数量，而是支架蛋白的丰度，从而有效地允许 AMPA 受体接收来自谷氨酸的信号。“首先，你需要这些支架蛋白，”布雷斯洛夫评论道。除此之外，他继续说，“在数小时的时间尺度上，支架蛋白可以进出，所以事情又会失去记忆，所以你需要其他东西，比如改变树突棘的实际结构。” 与神经科学中的许多其他主题一样，关于树突棘是否会改变形状，或者可能是否会合成新的蛋白质，长期记忆是如何形成的仍然存在争议。