引言
在最近的一項研究中，研究人員通過對線蟲(Caenorhabditis elegans)進行冷凍處理，揭示了記憶保持的新機制。這些發現不僅增進了我們對記憶形成和消退過程（"how memories are made and discarded"）的了解，還可能對治療某些神經疾病提供新的思路。線蟲是一種常用的模型生物，它們通常在學習後很快就會忘記資訊，但實驗顯示，通過快速冷卻可以顯著延長它們的記憶保持時間。此外，使用锂治療（"lithium"）也能在常溫下延長線蟲的記憶保持時間。這項研究由特拉維夫大學的遺傳學家Oded Rechavi上司，他和他的團隊發現，記憶保持與一種叫做二酰基甘油（"diacylglycerol"）的信号分子水準的降低有關。低水準的二酰基甘油似乎是通過影響細胞膜的硬度來延緩記憶消失。這些發現不僅對了解線蟲如何處理記憶提供了新見解，也可能對研究其他可以在寒冷條件下存活的生物如水熊蟲（"tardigrades"）和某些烏龜種類的記憶機制有所幫助。該研究還探讨了生物為何會忘記記憶，這可能是一種優化過程，涉及到遺傳、分子、生化及進化多個層面的考量。Rechavi教授指出，這些研究成果将推動對其他生物記憶現象的深入探究，預示着一條長遠的研究道路。（4月22日 Nature “How to freeze a memory: putting worms on ice stops them forgetting”）
線蟲Caenorhabditis elegans，作為實驗室常用的模式生物，對特定氣味的記憶能力非常有限，通常在學習後兩到三小時内便會忘記。然而，最近的研究顯示，通過冷凍處理或給予锂藥物，可以顯著延長這些微小生物對氣味的記憶時間。這一發現不僅揭示了環境和化學處理對記憶保持的潛在影響，也為進一步探索記憶形成機制提供了新的線索。
記憶的形成和遺忘是神經科學中的核心問題之一，涉及到從分子到行為層面的複雜生物學過程。線蟲因其生物學簡單、易于遺傳操作的特點，成為研究記憶和學習的理想模型。盡管線蟲的神經系統遠比人類簡單，但它們在記憶形成和資訊處理方面展示出的基本生物學原理，可以幫助研究人員了解更高等生物的記憶機制。此外，該研究還探讨了環境條件如何影響生物體的認知功能，這不僅對基礎科學研究具有重要意義，對于了解人類相關疾病的記憶障礙亦有潛在的應用價值。通過深入分析這些簡單生物體的記憶保持機制，未來可能在開發治療記憶障礙的新方法方面取得突破。
線蟲的記憶特性記憶的快速喪失線蟲Caenorhabditis elegans在認知科學研究中是一個重要的模型生物，尤其在記憶研究領域中。這些微小的生物體展示了一種快速遺忘已學習資訊的特性，通常在學習後的兩到三小時内便會忘記。此現象不僅對了解線蟲的生理機制具有重要意義，同時也為研究更複雜生物的記憶過程提供了基礎模型。
快速遺忘的生物學基礎線蟲的神經系統雖然簡單，但它們的行為學和神經生理學特性十分适合用來解析記憶形成和遺忘的基本機制。線蟲的快速遺忘可能與其神經元的電信号傳遞和神經遞質的短暫作用有關。這些生物在經曆了學習過程後，其神經遞質的釋放和接受機制可能迅速恢複至基線狀态，導緻記憶迅速喪失。
記憶遺忘的适應性功能從進化的角度看，快速遺忘可能對線蟲有特定的生存優勢。在自然環境中，食物來源和環境條件經常變化，快速适應新環境對于生存至關重要。線蟲通過快速遺忘舊的資訊，能夠更靈活地應對不斷變化的環境，這種記憶的喪失可能是一種優化資源配置設定和反應速度的适應性政策。
研究線蟲記憶的快速喪失通常涉及對其進行條件化訓練，如通過與不愉快的刺激（如輕微電擊或饑餓狀态下的氣味暴露）相結合的方式，訓練線蟲對特定氣味産生避免行為。通過觀察線蟲在移除刺激後對氣味的反應，研究人員能夠評估記憶保持的時長及其遺忘的速度。
冷凍對記憶的影響對模式生物Caenorhabditis elegans的研究發現，低溫可以顯著影響這些生物的記憶保持能力。具體來說，通過将線蟲暴露于低溫環境中，它們對特定氣味的記憶可以被“當機”，直到它們被重新置于常溫環境中。
冷凍保持記憶的機制實驗顯示，線蟲在接受氣味厭惡訓練後立即被置于低溫環境中，其記憶保持時間比常溫下顯著延長。這種現象表明，低溫可能通過減緩生物體内部生化反應的速度，影響神經系統的信号傳導，進而延緩記憶的衰退。這一發現對于了解生物體如何在不同環境條件下調整其記憶保持機制提供了新的視角。
記憶“重新開機”的條件值得注意的是，一旦線蟲從低溫環境回歸到常溫，它們的記憶保持能力會迅速傳回到正常水準。這種“記憶重新開機”的現象揭示了環境溫度對記憶穩定性的影響，以及生物體可能具備的記憶調控機制。研究人員認為，這一過程可能涉及到神經系統對溫度敏感的适應性調節，尤其是在神經遞質的釋放和接受過程中。
這些發現不僅增進了我們對基本生物學記憶機制的了解，而且可能對開發新的神經保護政策有所啟示。例如，在人類醫學中，了解并模拟這種“記憶當機”機制可能幫助我們設計出新的治療方法來保護和恢複記憶，尤其是在阿爾茨海默病等神經退行性疾病的患者中。
訓練線蟲對氣味的反應在神經科學和行為生物學的研究中，訓練模式生物對特定刺激産生反應是一項基本而關鍵的技術。Caenorhabditis elegans（C. elegans），作為一種廣泛使用的模型生物，其對氣味的反應訓練尤其引人注目，因為這種方法能夠揭示記憶形成和遺忘的底層機制。
訓練過程的設計訓練C. elegans對氣味産生厭惡反應的實驗設計簡潔而有效。首先，研究人員一般會選擇一種線蟲通常會被吸引的氣味，如異戊醇（isoamyl alcohol）。在訓練過程中，這種氣味與負面刺激（通常是饑餓狀态）結合使用，使線蟲在感受到這種氣味時産生厭惡反應。具體操作為，将線蟲置于含有異戊醇的培養皿中，同時限制其食物攝入，持續一定時間後，線蟲就會開始将這種氣味與饑餓狀态聯系起來。
關鍵參數氣味濃度：確定氣味的濃度足以被線蟲檢測到，但又不至于過高以緻于對線蟲造成生理壓力或損傷。饑餓時間：饑餓的持續時間需要精确控制，通常在幾個小時内，以確定線蟲能夠形成明确的記憶。環境控制：實驗期間，環境條件如溫度、濕度等需要嚴格控制，以避免外部變量影響實驗結果。
在訓練結束後，研究人員會通過行為測試來評估線蟲對氣味的反應變化。這通常通過放置線蟲在一個新的培養皿中進行，該培養皿同時提供訓練中使用的氣味和一個中性氣味，通過觀察線蟲對這兩種氣味的選擇行為，來判斷其記憶的保持情況。此外，還需要采用統計方法來分析資料，驗證明驗的可重複性和結論的有效性。
锂與冷凍的雙重影響在探索記憶保持的生物機制方面，锂和低溫處理對線蟲Caenorhabditis elegans的影響提供了重要的見解。通過對比這兩種處理方式，研究人員能夠更深入地了解記憶形成和維持的底層生物學過程。
锂處理的作用锂，一種常用的神經精神藥物，已被發現能顯著增強線蟲對氣味記憶的保持能力。在實驗中，研究人員将線蟲暴露于含锂的培養基中，結果顯示，即使在常溫條件下，這些經過锂處理的線蟲也能保持對氣味的記憶時間遠超未處理的對照組。這表明锂可能通過影響特定的神經遞質系統或信号傳導路徑，增強記憶的穩定性和持久性。
冷凍處理的影響相較于锂，冷凍處理提供了一種不同的記憶保持機制。通過将線蟲置于低溫環境，研究人員發現這些生物在冷凍狀态下幾乎不表現出記憶喪失。當線蟲重新回到常溫環境後，它們能迅速“重新開機”記憶。這種現象訓示冷凍可能通過實體地減緩生物體内的代謝過程和神經活動，進而保護記憶不受到時間的侵蝕。
锂與冷凍的組合效應在一些先導實驗中，研究人員嘗試将锂處理與低溫處理結合應用于線蟲，以探索是否存在協同效應。初步資料表明，這種組合處理可能進一步提升記憶保持的效率，盡管具體的生物學機制仍待明确。這些發現不僅加深了對記憶生物學的了解，也可能對開發治療記憶障礙的新方法提供科學依據。
目前，研究人員正在探索锂和低溫如何改變線蟲腦内的生化環境，特别是它們如何影響神經元的信号傳遞和神經遞質的活性。通過更精細的分子和遺傳學研究，未來可能揭示這兩種處理如何調控記憶相關的基因表達和蛋白質活動，為了解複雜的記憶機制提供更多證據。
二酰甘油（Diacylglycerol）的角色在神經科學的領域中，二酰甘油（Diacylglycerol，簡稱DAG）作為一種重要的生物信号分子，在記憶形成與遺忘的生化過程中扮演着關鍵角色。通過對線蟲Caenorhabditis elegans的研究，研究人員逐漸揭示了DAG在調控神經活動和記憶保持中的具體機制。
DAG的生物化學作用二酰甘油是一種脂質分子，主要在細胞膜的内層累積，通過激活下遊的蛋白激酶C（PKC），進而影響神經元的信号傳導。在C. elegans中，DAG的水準變化被發現與其記憶形成能力直接相關。較高的DAG水準促進了PKC的活性，增強了神經元間的信号傳遞，進而有助于記憶的形成和長期保持。
DAG與記憶形成的關聯在實驗中，通過遺傳或藥理方法調控DAG的産生，研究人員能夠觀察到線蟲對環境刺激記憶的變化。當DAG水準人為提高時，線蟲顯示出更強的記憶保持能力；相反，當DAG生成受到抑制時，線蟲的記憶形成能力明顯下降。這種效應說明了DAG在記憶形成中的調節作用是通過影響神經遞質的釋放和接收機制實作的。
DAG在記憶遺忘中的作用記憶的遺忘不僅是一個被動過程，而是一種主動的生物調節活動，其中DAG也起到了關鍵作用。研究表明，DAG的減少伴随着PKC活性的下降，這一過程與記憶遺忘密切相關。在C. elegans的記憶模型中，通過控制DAG水準，研究人員可以人為地加速或減緩記憶遺忘的速率，進一步證明了DAG在調控記憶穩定性中的重要性。
锂的生物學效應锂作為一種廣泛使用的心理藥物，其對神經系統的影響已被廣泛研究，但在模式生物Caenorhabditis elegans中，锂如何通過影響二酰甘油（Diacylglycerol, DAG）的産生路徑來保持記憶則是近年來的研究焦點。
锂對DAG途徑的調控锂被發現可以抑制一種名為肌醇單磷酸化酶（IMPase）的酶，該酶在DAG的合成路徑中起到關鍵作用。通過抑制IMPase，锂減少了肌醇（一種磷脂信号分子的前體）的再生，進而影響了DAG的生成。在C. elegans中，這種影響直接關聯到記憶形成和保持的能力，因為DAG是激活神經細胞中信号傳遞路徑的重要組分。
锂如何增強記憶保持線上蟲體内，锂的介入不僅調整了DAG的水準，還影響了與DAG互動的多種信号蛋白的活性，如蛋白激酶C（PKC）。這種互動作用增強了神經信号的傳遞效率，進而加強了對學習刺激的響應和記憶的長期穩定性。實驗表明，處理過锂的線蟲在進行氣味厭惡學習實驗時，其記憶保持的時間比未處理的對照組顯著長。
锂處理的神經保護作用除了直接作用于記憶形成的生化路徑，锂還顯示出對線蟲神經系統的保護作用。在受到不利環境壓力（如氧化應激）的情況下，锂處理的線蟲表現出更高的存活率和神經功能保持。這表明锂的神經保護作用可能涉及到減輕神經退行性改變和增強細胞的抗壓力能力。
記憶持續時間的優化政策在研究Caenorhabditis elegans（C. elegans）等模型生物的記憶機制時，了解記憶持續時間的生物學意義和其可能的進化優勢是至關重要的。通過深入探索線蟲的記憶持續性，研究人員能夠揭示記憶形成與遺忘的調控機制，以及這些機制如何幫助生物适應環境變化，提高生存率。
記憶持續時間的生物學基礎線蟲C. elegans在短時間内快速遺忘所學習的資訊，這種特性可以看作是一種适應性進化。在自然界中，環境的快速變化要求生物能夠迅速調整行為以适應新環境。是以，快速遺忘過時的資訊可能有助于線蟲減少認知負擔，進而更加專注于目前的環境條件和資源。
進化優勢的探讨在進化的長河中，記憶持續時間的調整可能對生物種群的适應性演化起到了關鍵作用。對于線蟲而言，其記憶形成的可塑性允許它們在面對不同的環境壓力時展現出不同的行為政策。例如，當食物豐富時，快速遺忘之前遇到的有毒物質或不利條件，可以使線蟲更有效地利用目前資源。
記憶優化政策的研究意義研究線蟲的記憶持續時間及其調控機制不僅有助于了解這一物種的行為生态，也為了解人類及其他高等生物的記憶機制提供了基礎。此外，深入了解記憶的生物學調控可以指導開發改善記憶或應對記憶障礙的治療政策。例如，通過研究影響記憶持續時間的分子路徑，可能發現新的藥物靶點，用于治療阿爾茨海默病等神經退行性疾病。
其他生物體的相關研究在生物學研究中，了解不同生物如何在極端條件下保持記憶是一個引人入勝的話題。特别是那些能夠承受低溫環境的生物，如緩步動物和某些龜類，它們展示了獨特的生物适應機制，這不僅對生物本身的生存有重要意義，也為廣泛的生物醫學研究提供了重要的視角。
緩步動物的記憶保持機制緩步動物（Tardigrades），通常被稱為“水熊蟲”，是一類極端環境下的生存專家。它們能在幾乎完全幹燥的狀态下生存數十年，并在重新水合後恢複活動。研究表明，緩步動物在凍幹過程中，其生物體内部的生化過程幾乎完全停止，但它們能夠在複水後迅速恢複其生理功能，包括記憶能力。這種獨特的生理特性提示我們，記憶的長期保持可能與其生物體内特殊的分子穩定性有關。
龜類的溫度調節與記憶某些龜類，如北美洲的沼澤龜，能在冰凍的沼澤中冬眠，幾個月後再次活躍。這些龜類在低溫休眠期間，其新陳代謝極其緩慢，神經活動也大大減少，但它們能夠在春天溫暖的氣候中快速恢複記憶功能。這表明，記憶的保持與其體溫調節機制緊密相關，其生理結構和生化路徑為記憶在低溫狀态下的穩定提供了保障。
生物學意義與進化優勢這些能在極端環境下保持記憶的生物顯示出了卓越的适應性，這些适應性不僅幫助它們生存于特定的環境條件，還可能在進化過程中發揮了選擇優勢。通過深入研究這些生物的記憶保持機制，研究人員可以更好地了解記憶在生物體中的功能和進化意義，這些知識可能對開發治療人類記憶障礙的新方法有重要啟示。
Q&A
線蟲如何被用來研究記憶？線蟲Caenorhabditis elegans作為一種模式生物，在神經科學和行為遺傳學研究中占有重要地位。它們的簡單透明的身體結構和完全已知的神經系統連結圖使其成為理想的實驗對象。研究人員通過觀察線蟲對特定環境刺激的反應和學習行為，比如對氣味的記憶訓練，可以揭示記憶形成、存儲和遺忘的基本機制。這些研究通常包括對線蟲進行條件化訓練，如将某種氣味與食物的存在或缺乏聯系起來，以測試它們的學習和記憶能力。
锂如何改變線蟲的記憶保持能力？锂是一種已知的心理活性藥物，常用于治療人類的心理疾病，如躁狂抑郁症。線上蟲的研究中，锂被發現可以顯著影響它們的記憶保持能力。通過對線蟲進行锂處理，研究人員發現這種元素可以幹預線蟲的二酰甘油（DAG）信号傳導途徑，進而改善或改變記憶的保持。具體來說，锂通過抑制肌醇單磷酸化酶（IMPase）影響到肌醇循環，這會導緻細胞内二酰甘油水準的變化，進而影響到線蟲對氣味記憶的保持。這些發現不僅為了解锂在人類腦功能中的作用提供了線索，也為其他記憶相關疾病的治療研究開辟了新方向。
冷凍處理具體是如何影響線蟲的生物學反應的？冷凍處理對于線蟲Caenorhabditis elegans的影響主要展現在其記憶保持機制上。在低溫環境中，線蟲的代謝活動顯著減緩，細胞生物過程幾乎處于停滞狀态。這種環境變化直接影響到線蟲的神經活動和記憶形成。研究人員通過将線蟲暴露于低溫環境中，發現它們能夠在溫度升高恢複正常活動後，重新激活之前的記憶。這表明，低溫可以作為一種“記憶儲存”的狀态，有助于線蟲在不利條件下保留學習後的行為反應。
研究結果如何可能幫助了解人類的記憶形成和保持？通過研究線蟲在冷凍處理後記憶的保持機制，研究人員可以更深入地了解記憶在生物體中的儲存方式。線蟲作為簡單的模式生物，其基本的生理和神經機制為複雜生物體提供了一個基礎模型。特别是在了解記憶如何在極端條件下得以儲存和恢複的過程中，這些研究為開發可能的記憶保護和恢複政策提供了寶貴的線索。例如，研究冷凍對線蟲記憶保持的影響，可能啟發開發新的治療方法，用于人類的記憶障礙疾病，如阿爾茨海默病和其他形式的認知衰退。此外，這些發現也可能幫助醫學研究者在進行器官移植和細胞儲存方面，優化儲存技術，以保持生物組織的功能和完整性。
參考文獻
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01130-4
Landschaft Berliner, D. L. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2024.04.03.587909 (2024).
責編|探索君
排版|探索君
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