人類的大腦是很奇妙的,記憶(memory)的形成也是,大腦裡製造記憶的地方是海馬旋(hippocampus),去年中 MIT 的 Steve Ramirez 和 Xu Liu 在有名的國際期刊 Science 發表了一篇文章,說他們如何在老鼠身上製造錯誤的記憶,在前一年他們已先在另一個有名的國際期刊 Nature 發表他們實驗腦細胞紀錄記憶的形成,還滿有趣的,在這裡介紹給大家。

[Nature] Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall (Liu et al, 2012)

[Science] Creating a False Memory in the Hippocampus (Ramirez et al, 2013)

大腦在記錄記憶時會激活(activate)某部分或某些族群的腦神經細胞(neurons),每次記憶的形成激活的細胞族群都不一樣,有的有重複,有的沒重複,而他們確認哪些細胞被激活的方法是利用病毒在基因改造的老鼠(transgenic mice)大腦裡送入一段感光蛋白(channelrhodopsin-2; ChR2)的基因[註1],也可以當作活化細胞的開關。他們把螢光蛋白 mCherry 接在 ChR2 後面,然後這個結合蛋白(ChR2-mCherry)的表現是由 tetracycline-reponsive element (TRE) 控制的。基因改造的老鼠則帶一個由 c-fos promoter 控制表現的 tetracycline activator (tTA),tTA 是由兩個蛋白結合,Tet reprossor (TetR) 和皰疹病毒的 VP16。在有 tetracycline 的情況下,tetracycline 會和 tTA 結合以抑止它去啟動 ChR2-mCherry 的表現。在沒有 tetracycline 的情況下,如果老鼠接受到刺激(例如新環境)造成細胞活耀起來,就會開始表現 tTA,然後 tTA 會結合 TRE 進而啟動 ChR2-mCherry 在細胞內的表現,而含有 ChR2-mCherry 的細胞即使沒有接受新的刺激,在光線的刺激下也會活耀。

Ramirez 他們一開始先在老鼠的食物裡加入 Doxycycline (Dox) 以抑制 ChR2-mCherry 的表現[註2],這時候不管在任何情況下老鼠的細胞裡都不該有 ChR2-mCherry,接著他們拿掉老鼠食物裡的 Dox 讓 ChR2-mCherry 能夠表現,這時只要老鼠開始接受新的刺激,就會激活海馬旋內某部分的腦細胞開始形成記憶,而這時候激活的細胞就會開始表現 ChR2-mCherry。前一篇在 Nature 的發表,是說他們先是給予老鼠電擊,這時候某部分的細胞因為受到刺激會活耀起來形成害怕的記憶,也會因為刺激而表現 ChR2-mCherry,也就是說這些含有 ChR2-mCherry 的細胞記錄了害怕的記憶,如果給這些老鼠光線,應該就能激起害怕的回憶。於是在沒有電擊的情況下,只有光線便激起了老鼠害怕的反應,表示海馬旋內某部分細胞負責害怕的記憶,而只要刺激這些細胞就會讓動物回憶起害怕的感覺。Ramirez 和 Liu 有在 TED 演講裡介紹過這個實驗,有興趣的可以看看,應該會比較容易了解。



接著,他們再進一步試驗可否連結和製造錯誤的記憶,就是去年發表在 Science 的那篇。他們用含 Dox 的食物養大老鼠後,在實驗的前兩天讓老鼠吃沒有 Dox 的食物,然後把牠們放到一個新環境 Context A,這時候某些細胞就會活耀起來記憶這個環境(下圖紅色圈圈,星星記號表示受新環境或光線激活的細胞),這個步驟他們稱為 encoding,這個動作也可以讓他們知道 Context A 激活了哪些細胞,因為在 Context A 裡活耀的細胞會表現 ChR2-mCherry。接著,他們再把食物裡加入 Dox 抑制其他沒在 Context A 活耀的細胞表現 ChR2-mCherry。隔天,他們把老鼠放到 Context B,在這個環境裡,他們給老鼠光線然後電擊老鼠的腳,這時候換另一部分的細胞活耀(灰色圈圈),但因為有光線,所以有 ChR2-mCherry 的細胞(紅色圈圈)也被激活了,於是 A 和 B 的細胞(紅色和灰色圈圈)都記錄了害怕的記憶,接著他們把一組老鼠放回 Context A (A' Test),另一組老鼠放到新環境 Context C,測試牠們的反應。 


false memory protocol.jpg


他們認為 Context A 會刺激原本的細胞(紅色圈圈),因而會讓老鼠回憶起電擊造成害怕的反應,而 Context C 刺激的是另一組沒有紀錄害怕記憶的細胞(白色圈圈),所以不會以有害怕的反應,而結果證實了他們的理論,也就是說 Context A 引起的害怕記憶是被製造出來的(ChR2 + light),而不是原本因為電擊所製造出來的記憶。

他們也測試了更複雜的情況,例如在 Context A 的刺激後回復了有 Dox 的飲食以抑制 ChR2-mCherry 的表現,接著放到 Context C (這時候刺激的細胞不會有 ChR2-mCherry),然後才放到 Context B 接受電擊,接受電擊時又分成有光和無光兩組。


false memory protocol 2


因為在 C 所刺激的細胞並沒有 ChR2-mCherry,所以再放回 C (上圖 C')後老鼠沒有害怕的反應,不像放回 Context A (A') 後會有害怕的反應,而在 Context B 接受電擊時沒給光的,再回到 B 時有光的情況跟無光時相比(B'),害怕的反應也相對的減少,而在新環境 Context D 裡不管有沒有光都不會激起害怕的反應。相反的,在接受電擊時有光的那組,在無光時沒什麼害怕的反應,但有光時有害怕反應的便增加了,即使換成新環境 Context D,光線同樣能令老鼠產生害怕的反應。這個實驗中 Context C 和無光電擊算是控制組,是更進一步證明可以用人工的手法把兩種記憶連結在一起,電擊是自然產生的記憶,而光是人工產生的記憶(因為 ChR2-mCherry 並不是老鼠腦內本來就有的基因),然後製造出假的記憶。

所以咧,這些實驗表示以人工的方法製造假記憶是有可能的阿。(雖然想要用在人類身上應該還要一段時間,而且在這之前一定會被很多人抗議說這有反倫理。)

歐,對了,這篇最後還有一個空間記憶的實驗,懶得寫了,有興趣的各為自己看吧。



【註】

1. ChR2 是感光蛋白的一種,並不泛指所有感光蛋白,它會對藍光有反應,有光的時候就會刺激含有感光蛋白的細胞。
2. Doxycycline 是 tetracycline 的一種,實驗用的基因改造老鼠以含 Dox 的食物餵養。







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