神经科学家一直认为，学习和记忆取决于神经元之间连接点（突触）的加强或减弱，从而增加或减少细胞将信息传递给邻近细胞的可能性。但最近，一些研究人员开始追求一种完全不同的理论，该理论不涉及改变突触传递的强度；事实上，它甚至不涉及神经元。相反，其他类型的大脑细胞，称为神经胶质细胞，才是罪魁祸首。
多伦多大学本周在Neuron杂志上在线发表的一项新研究为这一理论提供了支持。它提供的证据表明，学习环境是否安全这一基本行为（所有动物的共同行为）取决于形成脂肪鞘（称为髓磷脂，覆盖神经纤维的电绝缘层）的神经胶质细胞。新理论假设，建立可以在感觉输入或任务训练后很久才回忆起来的不可磨灭的记忆，需要神经胶质细胞与睡眠期间产生的特殊脑电波之间的相互作用。“髓磷脂在认知功能中的作用在很大程度上被忽视了，这篇论文优雅地纠正了这个疏忽，”巴黎索邦大学的髓磷脂研究员Bernard Zalc在评论这项新研究时说。
传统上，研究神经纤维（称为轴突）上髓磷脂绝缘的研究人员一直关注疾病，例如多发性硬化症，其中脂肪鞘受损。在多发性硬化症中，神经传递失败，导致广泛的残疾。髓磷脂就像铜线上的塑料涂层一样，被理解为对神经传递至关重要，但对于信息处理和记忆存储来说是惰性的且无关紧要的。
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这项新研究挑战了这种观点，因为他们发现，形成髓磷脂的神经胶质细胞，称为少突胶质细胞，可以检测流经它们接触的轴突的神经冲动。有趣的是，未成熟的少突胶质细胞，称为少突胶质细胞祖细胞 (OPC)，几乎遍布整个大脑，而很少考虑大脑组织内复杂的解剖边界。OPC 遍布整个大脑——即使在成年期，似乎也不太需要未成熟的大脑细胞——OPC 是我们大脑中细胞分裂最丰富的细胞。
为什么会这样尚不清楚，这些奇特的细胞长期以来一直让研究人员感到困惑。最近几个实验室的研究发现，OPC 可以通过分裂并成熟为形成髓磷脂的少突胶质细胞，并增加髓鞘化轴突的数量来响应神经冲动活动。这个过程可能会对通过神经网络的信息传递产生深远的影响，因为髓磷脂将神经冲动传递速度提高了约 50 倍。
形成记忆
在Neuron研究中，第一作者 Patrick Steadman 和多伦多病童医院和多伦多大学 Paul Frankland 实验室的同事测试了学习期间必须形成新髓磷脂的假设。他们通过基因改造小鼠来实现这一点，使得当用药物他莫昔芬处理时，称为髓磷脂调节因子 (MRF) 的基因被删除。该基因对于 OPC 成熟为少突胶质细胞至关重要。敲除 MRF 增加了 OPC 的数量，而新形成的少突胶质细胞的数量减少了。
现在，研究人员可以通过在训练这些小鼠的同时阻止它们形成新的髓磷脂来测试髓磷脂的形成对于学习是必要的这一假设。他们可以在训练期间或之后随时阻止髓磷脂形成，只需给小鼠服用他莫昔芬即可。
然后，他们通过给予一项称为莫里斯水迷宫的成熟记忆测试来探究髓磷脂是否是学习所必需的，在该测试中，将小鼠放置在一个大水槽中，其中一个隐藏的平台浸没在水面以下。小鼠很快学会了平台的位置，并在经过几天的训练后直接游向平台。实验表明，无法形成新髓磷脂的小鼠能够像对照组小鼠一样快地学会平台的位置，但是当在训练结束后很久测试它们的记忆力时，那些无法形成新髓磷脂的小鼠对位置的记忆不太好，并且必须游更长的时间才能再次找到平台。研究人员用电子显微镜检查大脑组织，发现正常小鼠大脑中已知学习莫里斯水迷宫所需的区域中有更多的轴突被髓鞘化。研究人员现在有了证据表明，髓磷脂参与了学习中涉及的长期记忆的形成。但他们仍然需要确定髓磷脂在回忆中的作用。
准时到达
不同类型的信息必须同时汇集在一起才能回忆起来，例如，你家在哪里——或者，对于小鼠来说，水迷宫中的平台。回忆需要整合关于家园的视觉、声音、气味、情感的记忆，以及家园记忆引起的感受。这些不同类型的信息在大脑的不同部位进行处理和存储，并通过广泛的网络连接，这些网络必须一起激活才能交织这些记忆的不同方面，最终在亚细胞水平上导致突触的加强。这种以网络为中心的神经功能观点一直被狭隘地关注突触传递的记忆研究人员所忽视。但问题仍然存在，即如何在复杂的神经网络中建立每个突触中继点的神经冲动到达时间。睡眠的大脑节律可能提供线索。
研究人员想知道，新髓磷脂是否可能在训练结束后是必要的，以将快速消退的短期记忆转化为持久记忆，神经科学家将这一过程称为记忆巩固。为了检验这个想法，他们像以前一样训练小鼠，每天三次，持续六天，然后在训练结束后给他莫昔芬以抑制髓磷脂的形成。在 28 天后进行测试时，训练后无法形成新髓磷脂的小鼠在回忆隐藏平台的位置时表现不佳。如果他们在训练后等待太久才抑制新髓磷脂的形成——在他们的测试中是 25 天——回忆就不会受到损害，这表明在训练后存在一个时间窗口，新的体验会在这个窗口期内巩固为记忆。结果表明，新髓磷脂是铭刻持久记忆过程的一部分。但研究人员更深入地探究了髓磷脂如何具体地促进记忆巩固？为了回答这个问题，研究人员将他们的调查转向了另一种学习情境，即在动物中诱导恐惧记忆。
在睡眠期间形成记忆
在阿富汗吉普车上的士兵会因路边炸弹的风险而感到强烈的危险感，但在家乡街道上乘坐吉普车时会放松下来。海马体是大脑的“GPS”系统，用于确定身体在环境中的位置，但前额叶皮层中处理的更高级别的认知功能是必要的，以提供位置是否与朋友或敌人相关的背景信息。当创伤经历后海马体和前额叶皮层之间的沟通受损时，身体的恐惧反应可能会不适当地被激活，导致患有 PTSD 的人在家乘坐吉普车时也会遭受同样的强烈危险感。由于这种类型的记忆需要大脑区域之间的长距离通信，因此它可以提供关于髓磷脂如何巩固记忆的见解。
科学家通过将实验动物放置在一个笼子中来研究这种类型的恐惧学习，在该笼子中，在发出警报声后，通过金属地板施加无害但令人震惊的电击。当在同一个笼子里再次出现相同的警报声时，即使没有足部电击，动物也会因恐惧而僵住。然而，动物不会对不同环境中相同的声音做出僵住的反应，因为它与诱发的恐惧无关。海马体和前额叶皮层之间的沟通提供了引发不同反应的必要背景信息。纽约大学的 György Buzsáki 的研究发现，海马体中短暂的高频振荡（称为尖波/涟漪复合波的脑电波）通过与皮层神经元同步耦合来传递信息，这些皮层神经元以称为纺锤波振荡的节律放电。促进这种节律耦合可以改善记忆巩固。
这些不寻常的节律性神经活动波在非快速眼动（无梦）睡眠期间尤其活跃，学习新任务会增加这种活动。据信，睡眠期间海马体和前额叶皮层之间的信息传递将地点的记忆与其背景联系起来。在我自己的研究中，我们发现髓磷脂对于脑电波的传递很重要，这提出了这样一种可能性，即记忆巩固中对新髓磷脂的需求可以通过这些不寻常的神经振荡来促进海马体和前额叶皮层之间的信息传递。
脑电波以许多不同的频率振荡。大脑的两个区域同步振荡可能会促进远处神经元群耦合成功能集合。就像管弦乐队中小提琴组和法国号角的同步一样，同步的脑电波可能潜在地将前额叶皮层和海马体中的神经元耦合在一起，从而使小鼠学会害怕特定位置。髓磷脂可能在调节脑电波传递速度方面发挥关键作用。如果神经活动波没有以适当的速率传递，一个波与另一个波的破坏性干扰将扰乱大脑中节律信息的传递——就像音乐家演奏不同步会搞砸交响乐作品一样。
有趣的是，在睡眠和睡眠剥夺期间发现了髓磷脂的变化。Steadman 和同事通过记录小鼠海马体和前额叶皮层的神经振荡，测试了睡眠期间髓磷脂的形成是否可能通过增加脑电波活动的耦合来促进学习。他们发现，当通过删除 MRF 基因来损害新髓磷脂的形成时，脑电波耦合的同步性确实降低了，并且动物在回忆在它们受到电击的环境中学到的恐惧记忆时表现不佳。
这些研究共同表明，新髓磷脂的形成对于学习是必要的，因为它通过促进海马体和前额叶皮层之间协调的脑电波活动来巩固记忆。新髓磷脂似乎也需要用于其他类型的学习——例如，在改善运动协调方面。“当我们思考记忆是如何巩固的时候，传统上我们总是想到突触可塑性。我们的发现表明，一种完全不同的可塑性形式[髓磷脂可塑性]也在巩固记忆中起着关键作用，”Frankland 说。加州大学欧文分校研究记忆如何形成的一位著名研究员 James McGaugh 也同意：“该论文报告了新颖且非常有趣的发现，这些发现……为理解记忆如何形成提出了新的方向。”
关注突触的加强和减弱对于学习至关重要，但准时到达车站以建立正确的联系也很重要，这就是制造髓磷脂以加速通过神经网络传输的非神经元细胞在形成新记忆中提供帮助的地方。