城大研究揭示大脑髓鞘与学习及记忆的关系
香港城市大学（城大）一项研究首次发现，透过模式记忆训练可促进大脑髓鞘的发育及再生，从而改善学习和记忆功能。这项研究将有助揭示多发性硬化、脑缺血、慢性复发性疼痛、激惹性肠胃综合症（irritable bowel syndrome, IBS）、重度抑郁及老年痴呆等中枢髓鞘病及认知障碍的病理机制。
模式记忆（schema）是指经重复而建立的学习模式，语文学习就属于模式记忆。一旦建立了模式记忆系统，同类的新知识便可更快被吸收掌握。由城大生物医学系讲座教授李婴教授领导的研究团队，便研究模式记忆的调控机理，并将模式记忆的理论应用于动物行为的研究中。团队该项研究首次发现，模式记忆训练可以促进大脑髓鞘（myelin）的形成，从而增强神经网络同步，并改善认知障碍。
髓鞘是包裹大脑神经元轴突（axon）的外膜，由髓磷脂构成，具有绝缘、提高神经脉冲（nerve impulse）传导速度以及保护神经元的作用，并由少突胶质细胞（oligodendrocyte）控制其形成。李婴教授领导的团队，多年来研究髓鞘形成与记忆的关联。
从大鼠于沙堆中找食物探索模式记忆
李婴教授指出，模式记忆过往在心理学范畴已被广泛讨论，但很少用于动物研究。他们这次研究便以大鼠为实验对象。大鼠首先接受18节、为期约三个星期的训练，令牠们形成模式记忆，记得六种食物在一个大沙盘里的特定收藏地点。之后当大鼠一嗅到某食物的味道，很快就能走到相关食物收藏的地点并挖出埋在沙堆里的同一种食物。为了确定大鼠是凭记忆而非嗅觉来找出食物的特定收藏地点，研究人员将食物深藏于沙堆之下，而且沙子都混有该六种食物的味道，以扰乱大鼠的嗅觉。初时大鼠找对食物埋藏地点的比率是40%，经训练后可以增至80%。
髓鞘与记忆的关系
研究人员发现大鼠形成模式记忆后，牠们再学习两组新的食物和特定收藏地点配对的速度会快很多，训练一节就能掌握。研究人员使用免疫组化（immunohistochemistry）和透射电镜等技术解析大鼠大脑变化，发现大鼠在学习和记忆模式的建立过程中，由于大脑皮层区域的神经活动增强，可以促进少突细胞增生和细胞分化（differentiation），从而促进髓鞘形成，令髓鞘显著增厚。
记忆能力受损的原因
研究结果亦显示，被注射脱髓鞘药物（溶血卵磷脂） 以干扰髓鞘形成的大鼠，未能学习两组新的食物和特定收藏地点的配对。研究人员认为干扰髓鞘的形成可严重阻碍模式记忆的构成，无法形成新的记忆，并会损害大脑神经迴路的讯息传送及不同脑区之间的同步。
李教授说： “我们这个研究进行了大约三年，重大突破在于首次发现髓鞘在高级认知记忆中的重要角色，及其在神经网络同步所发挥的作用。” 他解释，大脑活动有其节律性（rhythmicity），神经元放电的频率与周围场电位（field potential）之相关性对不同区域（迴路）大脑活动的同步有重要作用。这次研究证明，髓鞘厚度的轻微增加，可明显提升神经传导速度和减低神经迴路功能的障碍。
为了进一步揭示模式学习和髓鞘促进记忆形成的机制在调节神经功能方面的作用，研究团队发现于脑部前扣带皮层（anterior cingulate cortex, ACC）使用脱髓鞘药物（溶血卵磷脂）会诱导脱髓鞘 ，继而导致ACC 的theta（θ）波段（脑电波频率之一）功率降低，神经信号之间的相关性及同步明显减少。这些数据显示，髓鞘的形成对持久的神经元震荡，和连贯的神经元活动的时项相关及多区域大脑网络之同步，起了关键作用。
研究有助改善认知功能障碍
李教授补充说： “我们未来会继续进行大鼠模式记忆实验，利用神经科学领域最前沿的光遗传技术、化学遗传技术等方法精准调控大脑的少突细胞，以促进髓鞘形成，从而探究这些方法能否改善重度抑郁、慢性复发性疼痛、激惹性肠胃综合症及阿兹海默症等疾病所引发的严重中枢认知功能障碍。”
光遗传技术是使用光控的技术，选择并 “启动” 生物的某类细胞，可研究神经元的特殊功能。而化学遗传技术则是利用小分子有机化合物，有系统地干扰和探索如神经元细胞的活动。
至于研究的下一步，李教授说将探讨少突胶质细胞及星形胶质细胞（astrocyte）在模式记忆中扮演的角色， “少突胶质细胞和星形胶质细胞的关系十分密切。而星形胶质细胞产生的乳酸是否是髓鞘形成的能量来源，有待我们进一步证实” 。
研究团队以《Schema-like learning and memory consolidation acting through myelination》为题发表论文，并获生物及生物医学范畴的著名国际期刊《美国实验生物学学会联合会期刊》（The FASEB Journal）刊登。李教授是论文的通讯作者。来自城大的研究小组成员还包括生物医学系的李永镇博士、高级研究助理 Suresh Kanna Murugappan、Zafar Iqbal和Wang Jun（现任职于浙江大学）、研究助理 Aruna Surendran Ramkrishnan和赛马会动物医学及生命科学院博士生Mahadi Hasan。
这项研究得到城大、香港研究资助局、国家自然科学基金以及香港创新科技署透过创新及科技支持计划的支持。
DOI number: 10.1096/fj.201900910R
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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