香港城市大學（城大）一項研究首次發現，透過模式記憶訓練可促進大腦髓鞘的發育及再生，從而改善學習和記憶功能。這項研究將有助揭示多發性硬化、腦缺血、慢性復發性疼痛、激惹性腸胃綜合癥（irritable bowel syndrome, IBS）、重度抑郁及老年癡呆等中樞髓鞘病及認知障礙的病理機制。

模式記憶（schema）是指經重復而建立的學習模式，語文學習就屬于模式記憶。一旦建立了模式記憶系統，同類的新知識便可更快被吸收掌握。由城大生物醫學系講座教授李嬰教授領導的研究團隊，便研究模式記憶的調控機理，并將模式記憶的理論應用于動物行為的研究中。團隊該項研究首次發現，模式記憶訓練可以促進大腦髓鞘（myelin）的形成，從而增強神經網絡同步，并改善認知障礙。

髓鞘是包裹大腦神經元軸突（axon）的外膜，由髓磷脂構成，具有絕緣、提高神經脈沖（nerve impulse）傳導速度以及保護神經元的作用，并由少突膠質細胞（oligodendrocyte）控制其形成。李嬰教授領導的團隊，多年來研究髓鞘形成與記憶的關聯。

從大鼠于沙堆中找食物探索模式記憶

李嬰教授指出，模式記憶過往在心理學范疇已被廣泛討論，但很少用于動物研究。他們這次研究便以大鼠為實驗對象。大鼠首先接受18節、為期約三個星期的訓練，令牠們形成模式記憶，記得六種食物在一個大沙盤里的特定收藏地點。之后當大鼠一嗅到某食物的味道，很快就能走到相關食物收藏的地點并挖出埋在沙堆里的同一種食物。為了確定大鼠是憑記憶而非嗅覺來找出食物的特定收藏地點，研究人員將食物深藏于沙堆之下，而且沙子都混有該六種食物的味道，以擾亂大鼠的嗅覺。初時大鼠找對食物埋藏地點的比率是40%，經訓練后可以增至80%。

髓鞘與記憶的關系

研究人員發現大鼠形成模式記憶后，牠們再學習兩組新的食物和特定收藏地點配對的速度會快很多，訓練一節就能掌握。研究人員使用免疫組化（immunohistochemistry）和透射電鏡等技術解析大鼠大腦變化，發現大鼠在學習和記憶模式的建立過程中，由于大腦皮層區域的神經活動增強，可以促進少突細胞增生和細胞分化（differentiation），從而促進髓鞘形成，令髓鞘顯著增厚。

 

記憶能力受損的原因

研究結果亦顯示，被注射脫髓鞘藥物（溶血卵磷脂） 以干擾髓鞘形成的大鼠，未能學習兩組新的食物和特定收藏地點的配對。研究人員認為干擾髓鞘的形成可嚴重阻礙模式記憶的構成，無法形成新的記憶，并會損害大腦神經迴路的訊息傳送及不同腦區之間的同步。

 

李教授說： “我們這個研究進行了大約三年，重大突破在于首次發現髓鞘在高級認知記憶中的重要角色，及其在神經網絡同步所發揮的作用。” 他解釋，大腦活動有其節律性（rhythmicity），神經元放電的頻率與周圍場電位（field potential）之相關性對不同區域（迴路）大腦活動的同步有重要作用。這次研究證明，髓鞘厚度的輕微增加，可明顯提升神經傳導速度和減低神經迴路功能的障礙。

為了進一步揭示模式學習和髓鞘促進記憶形成的機制在調節神經功能方面的作用，研究團隊發現于腦部前扣帶皮層（anterior cingulate cortex, ACC）使用脫髓鞘藥物（溶血卵磷脂）會誘導脫髓鞘 ，繼而導致ACC 的theta（θ）波段（腦電波頻率之一）功率降低，神經信號之間的相關性及同步明顯減少。這些數據顯示，髓鞘的形成對持久的神經元震蕩，和連貫的神經元活動的時項相關及多區域大腦網絡之同步，起了關鍵作用。

 

研究有助改善認知功能障礙

李教授補充說： “我們未來會繼續進行大鼠模式記憶實驗，利用神經科學領域最前沿的光遺傳技術、化學遺傳技術等方法精準調控大腦的少突細胞，以促進髓鞘形成，從而探究這些方法能否改善重度抑郁、慢性復發性疼痛、激惹性腸胃綜合癥及阿茲海默癥等疾病所引發的嚴重中樞認知功能障礙。”

光遺傳技術是使用光控的技術，選擇并 “啟動” 生物的某類細胞，可研究神經元的特殊功能。而化學遺傳技術則是利用小分子有機化合物，有系統地干擾和探索如神經元細胞的活動。

至于研究的下一步，李教授說將探討少突膠質細胞及星形膠質細胞（astrocyte）在模式記憶中扮演的角色， “少突膠質細胞和星形膠質細胞的關系十分密切。而星形膠質細胞產生的乳酸是否是髓鞘形成的能量來源，有待我們進一步證實” 。

研究團隊以《Schema-like learning and memory consolidation acting through myelination》為題發表論文，并獲生物及生物醫學范疇的著名國際期刊《美國實驗生物學學會聯合會期刊》（The FASEB Journal）刊登。李教授是論文的通訊作者。來自城大的研究小組成員還包括生物醫學系的李永鎮博士、高級研究助理 Suresh Kanna Murugappan、Zafar Iqbal和Wang Jun（現任職于浙江大學）、研究助理 Aruna Surendran Ramkrishnan和賽馬會動物醫學及生命科學院博士生Mahadi Hasan。

 

 

這項研究得到城大、香港研究資助局、國家自然科學基金以及香港創新科技署透過創新及科技支持計劃的支持。

DOI number: 10.1096/fj.201900910R

本文已于 “香港城大研創” 微信公眾號發布。
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