【杀脑文】味觉记忆的分子机制

响应编辑号召把这篇发在果壳上的略专业文章（http://www.guokr.com/blog/482926/）在豆瓣也贴一份，如果太专业了求勿抛砖！_(:з」∠)_

这个月受果壳阅读编辑之托为神经科学家约翰·艾伦（John S. Allen）的新书《肠子，脑子，厨子》（The Omnivorous Mind: Our Evolving Relationship with Food）http://book.douban.com/subject/25724942/撰写简短书评，顺便把研究生阶段写的一篇关于味觉记忆的分子机制的文章翻了出来。味觉记忆分子机制研究出来的比较早，所以也不存在过时的问题，于是顺手贴在这里供感兴趣的朋友科普用。欢迎补充和讨论，如感兴趣转载请留言告知并注明出处。

====我是开始杀脑的分界线_(:з」∠)_======

味觉记忆的分子机理

“所有的动物都是食物链的一部分，所以它们都命中注定要捕食其它动物或者被捕食。因此，能否存活依赖于成功的进食策略同时延迟被捕食的时间，至少要延迟到繁育下一代之后。”
——John Garcia

当动物接触到一种全新的味道时，一般第一次尝试的量并不多。如果之后并没有负面的反应，该味道就会被动物认为是一种安全的、可以被接受的信号，从而在后来接触到该味道时进食量会逐渐增加，这种现象被称为新事物恐惧症的消退 (Attenuation ofneophobia)。如果该味道之后紧跟着伴随恶心不适等反应，动物下一次再接触到该味道时就会拒绝进食，从而形成一种长期的厌恶。该味道于是成为一种厌恶信号，这种现象叫做条件性味觉厌恶 (Conditioned tasteaversion, CTA)。
条件性味觉厌恶作为一种研究味觉记忆的方法，在行为学试验中被广泛使用着。其主要的好处有：
1、和条件性味觉厌恶有关的神经通路目前研究的比较清楚。
2、作为条件性刺激(Conditioned Stimuli, CS)的味道和作为非条件性刺激(Unconditioned Stimuli,US)的消化疾病只需要在一次配对试验之后即能稳固的形成。
3、即使在CS和US之间有很长的延时，依然能够形成较强的味觉厌恶。并且可以采取一系列手段来研究记忆的各种不同的阶段：获得、巩固、提取、消退。

一、两种不同的味觉记忆痕迹（TMT）
对于味道的喜好可以分为偏好(Preference)和厌恶(aversion)。最不偏好的被称作熟悉的厌恶(familiar-aversive)，最偏好的被称为熟悉的安全(familiar-safe)。一种新的食物第一次出现的时候既可能被鉴定为安全，也可能被鉴定为厌恶，完全取决于食物吃完之后的生理反应。很多实验表明当食物之后的有毒刺激消失后，动物需要2~4个小时的时间来鉴别该味觉刺激是安全的还是中性的。
当一种特殊的味道中和了饮食缺陷的作用时，食物偏好性依然可以被发展起来。如硫胺素缺乏的大鼠会偏向于含有硫胺素的食物，用钠缺乏食物饲养长大的大鼠会偏好偏盐的食物。
味觉记忆可以被分为两种记忆痕迹(Taste Memory Trace, TMT)——安全和厌恶。随着摄入食物这个行为的结束，伴随而来的恶心感刺激间隔越短，厌恶就越强烈。当超出一定时间间隔之后，再发生的恶心刺激就很难与食物本身联系到一起，那么这种食物也就被认为是安全的了，这就是除了厌恶之外的另一种记忆痕迹——新事物恐惧的消失。
有研究证明，即使在深度催眠并保持好几个小时的情况下，糖精钠和胃肠不适诱导剂依然可以诱发味觉厌恶，说明这是一种非陈述性记忆，完全可以在无意识情况之下进行。
1980年，Buresova和Bures的研究揭示，新事物恐惧的消退比起味觉厌恶而言，更加容易被打破。比如暴露在另一种新味道时、戊巴比妥催眠时、低温下、两侧皮层传播抑制时，以及电惊厥休克处理时，新事物恐惧的消失都会受影响，却不影响CTA的形成。

二、神经通路
1、味觉神经通路
有研究证实，从一种味觉出现后200 ms时，味觉感知就开始形成了，这时大鼠已经可以将该味道与水的味道区分开来。
味觉通路从舌头和嘴巴开始，主要通过面神经和舌咽神经（分别是第VII脑神经和第IX脑神经）到达孤束核(NTS)的吻部，而喉部和咽部的信息也通过迷走神经（第X脑神经）到达该位置。电生理学的证据表明，NTS的神经元投射到同侧的后中臂旁核(PBN)，而免疫组化的证据显示味觉纤维具体投射到了PBN的背外侧亚核。从这一结构，味觉信息开始投射到外侧下丘脑(LH)、终纹核床、中部杏仁核和基底外侧杏仁核，以及丘脑腹侧后内侧核的小细胞部(VPM)。从VPM投射到位于嗅脑沟、鼻周皮层吻部的味觉岛叶。
2、内脏传输通路
导致不适的刺激至少可以通过两条通路到达中枢神经系统。第一条通路中，刺激通过迷走神经感知直接激发胃肠系统。在第二条通路中，不适诱发剂在血液中进行运输，到达所有脑区中血脑屏障最薄弱的区域——最后区(AP)。这两条路通投射到NTS的三分之二吻部。从NTS发出的信息继续投射到PBN的外部侧面部分、中部杏仁核和下丘脑室旁核。从PBN的外侧部可以投射到中后外侧丘脑的小细胞部(VPL)。值得注意的是，味觉和内脏接收到的第一道信息分别投射到NTS的不同区域，且在该结构内并不会会聚于同一神经元。
3、CS和US的整合
味觉和内脏通路在大脑的很多结构内会聚，在这些地方味觉和不适感可以被联系起来从而形成记忆痕迹。这些神经环路大部分被说明为静止的金属丝模型，而并不考虑反馈和前馈通路的影响。例如味觉皮层通过抑制旁路调节PBN和NTS的活化。
不过，皮层整合对于味觉反应并非必需的。例如，大鼠在记忆获取之前进行大脑切除将无法形成CTA，岛叶皮层的损伤将会扰乱TMT的形成，大脑切除或者岛叶皮层损伤的大鼠相对于水来说，会比较偏好蔗糖和较淡的氯化钠溶液，并且拒绝奎宁和酸性溶液。

三、安全味觉记忆痕迹（TMT）的分子机制
1、乙酰胆碱(ACh)
乙酰胆碱在可塑性修饰中起着很重要的调节作用，并且在刺激发生之后的持续时期（暂时或者永久）内发挥作用。已知乙酰胆碱依赖的神经递质在许多认知过程中发挥作用，例如注意、学习与记忆，以及很多行为学和环境条件。例如暴露在一种新的环境下会诱发显著的大鼠新皮层和海马的乙酰胆碱释放。基底核大细胞(NBM)神经元——乙酰胆碱到皮层套膜投射的主要来源——当一种新的刺激出现时增加放电，当该刺激变得熟悉时放电回到基础值。
许多对于自由移动大鼠的微量渗析的研究显示，当一种新味觉（糖精钠或者奎宁）初次出现时，与一种熟悉味道（例如水）出现时相比，乙酰胆碱有着显著的释放。当该味道多次出现后，乙酰胆碱的释放有着明显的减少，直到降到和味道刺激为水时乙酰胆碱释放量相同的水平。当暴露到新的环境下时，有明显的皮层和海马的乙酰胆碱释放，反复暴露在该环境从而逐渐熟悉后返回到基础水平。当暴露到熟悉环境时并没有显著的皮层乙酰胆碱释放。因此，胆碱的活性似乎可以在记忆形成的初始阶段作为一种新事物刺激的信号。
2、安全的TMT
利用乙酰胆碱的拮抗剂东莨菪碱(Scopolamine)进行CTA实验，在不同时期注射的影响是不同的。如注射东莨菪碱之后，当实验的第二天糖精钠再次出现时，动物会表现出强烈的对新事物恐惧的反应，就好像这是它第一次尝到该味道一样。说明了东莨菪碱阻止了一种新味道成为熟悉味道。并且糖精钠引起的味觉形成是正常的，只是一种安全味觉记忆的建立受到了影响。新事物恐惧症的消退受到损伤只有在新味道出现之前或者至多两小时后才会发生。并且，在糖精钠出现之后注射东莨菪碱并不产生可以值得注意的味觉厌恶。
应用NMDA受体的拮抗剂AP5进行同样的实验显示，安全TMT的形成不依赖于NMDA受体的活化。
TMT形成的可能机理是：毒蕈类的乙酰胆碱受体是一种耦联于G蛋白的代谢型受体，能够激活磷酸酶C，导致蛋白酶K的活化和细胞间储存ide钙的释放。这种级联信号反应与突触可塑性相关。
毒蕈类的乙酰胆碱受体的激活同样增强细胞外信号调节激酶(ERK)旁路的活性。例如低剂量的卡巴胆碱可以引起初级皮层细胞中ERK的活化延长。一种新的，但是非熟悉的味道引发岛叶内一种长时间延续的ERK 1/2的活化，该现象可以被毒蕈类的乙酰胆碱受体拮抗剂阻断。因此，毒蕈类的乙酰胆碱受体对于安全TMT的形成非常重要。
3、厌恶的味觉记忆
乙酰胆碱参与到TMT形成的早期阶段，但是在厌恶TMT的联系和巩固时期不再需要。NBM上可逆转的或者不可逆转的损伤扰乱了CTA的获得，但对提取不影响。味觉刺激出现前15分钟在岛叶注射毒蕈类的乙酰胆碱受体的拮抗剂会对厌恶的味觉记忆形成显著的阻断。而在味觉记忆出现后立刻进行注射则不会影响厌恶TMT的形成。
毒蕈类的乙酰胆碱能和谷氨酸能系统的共同活化对于厌恶记忆的联系和巩固阶段有可能是必需的。向麻醉或者清醒的大鼠注射氯化锂引起了两侧杏仁核神经元的电生理变化，但是在岛叶中没有发现明显的变化。
在味觉刺激出现之前通过TTX导致杏仁核功能性的失活并不抑制厌恶TMT的形成。味觉刺激之后或者内脏刺激之前的失活表现出明显的厌恶TMT的消退。
在味觉刺激出现之前进行功能性阻断，而不是在味觉刺激和氯化锂注射之间，可以显著的阻断厌恶性TMT。通过在体微渗析技术显示，注射氯化锂而非糖精钠的出现引发了明显的杏仁核谷氨酸释放，同时引发了稳定的不过明显的岛叶的释放。在新味觉出现之后或者不适感诱导剂出现之前注射AMPA、NMDA和代谢型谷氨酸受体的拮抗剂到杏仁核可以损伤长时程CTA的形成。
谷氨酸参与到长时程味觉记忆的形成过程中，在安全性记忆向厌恶性记忆转变的过程中发挥作用。CTA的获取引发了岛叶中持久的NMDA受体NR2B亚基的酪氨酸磷酸化，并且这种酪氨酸激酶的抑制剂可以阻断厌恶记忆的形成，包括CTA。另外，一种新味道的出现或者向皮层间注射卡巴胆碱可以诱发NR2A和NR2B亚基酪氨酸的增加和丝氨酸磷酸化。在第一次供给不同浓度的糖精钠和蔗糖的不同动物组中，NMDA受体的各亚基都有磷酸化程度的增加。在同样浓度的糖精钠反复出现之后，NR2B和NR2A的丝氨酸磷酸化明显降低。因此，味觉的熟悉化和NMDA亚基的磷酸化之间有着反相关的联系。
在味觉出现和不适诱发剂处理之间微注射去甲肾上腺素的拮抗剂心得安到中间或者两侧的杏仁核会扰乱厌恶TMT。心得安注射阻断对于一种新的或者熟悉的味觉刺激的形成，说明它可能作用于US通路上。低强度的足底电击和向NTS注射谷氨酸可以增强厌恶记忆形成的巩固，而这种作用可以被向杏仁核显微注射心得安来阻断。
4、长时程厌恶TMT
注射翻译阻抑剂茴香霉素或者放线菌酮到岛叶或者杏仁核可以产生一种较强的对于长时程厌恶TMT的阻断。蛋白激酶C的活化和长时程记忆的形成相关，并且在CS-US间期向岛叶和杏仁核（而不是在丘脑味觉区域）注射蛋白激酶C的抑制剂可以扰乱长时程CTA。同样的实验方法在记忆提取阶段没有任何作用。这种作用似乎能够延长到4个小时，当蛋白激酶C阻断剂在那个时间之后注射。将不会对CTA的形成有任何影响。
显微注射反义RNA到杏仁核的CREB转录因子中可以扰乱长时称记忆巩固，但不影响CTA的短时程记忆。在杏仁核中阻断蛋白激酶A的活化可以扰乱长时程，而非短时程厌恶TMT。
缺少蛋白激酶A调节亚基的变异鼠可以发展出正常的短期、而非长期CTA。该变异鼠显示出在双侧和中间杏仁核减少的c-Fos样免疫反应，但是在US出现之后PBN或者NTS中并没有。
5、TMT的消退
所谓消退就是指当CS和US的联系建立之后，如果该CS在US不存在的情况下出现，该条件性的反应将会减弱。实验证明，1.5小时之后动物开始减弱厌恶记忆。而在新事物恐惧症的消失中，TMT需要至少1~2小时来形成。近来有研究表明，消退实验的成果可以被认为是一系列多重的时间倚赖过程，它包含至少两条轨迹：兴奋性的原始的CS-US轨迹和抑制性或者说全新的CS-无US轨迹。
厌恶性TMT的消退是一个重新学习的过程，在该过程中味觉与之后有害反应未出现这一信息相联系，正如新事物恐惧症的消退一样。
蛋白合成抑制剂的应用应当压制安全TMT的形成，留下完整的旧有的厌恶TMT，并且加强这种厌恶，但实际上这种现象只发生在在味觉厌恶消退期间使用茴香霉素的情况下。
为了验证消退是一种学习过程的观点，毒蕈类的乙酰胆碱受体似乎在味觉厌恶形成和消退中有着作用。不过在第一次消退实验第一次出现味觉刺激之后注射东莨菪碱并没有阻断任何过程。

四、结论
TMT过程并不是单一的，它包含两个可分离的组分——安全和厌恶。前者的巩固似乎依赖于皮层毒蕈类的乙酰胆碱受体的活化，而后者至少部分的依赖于NMDA受体的活化。新的味觉诱发毒蕈类的乙酰胆碱受体和NMDA受体的活化。当之后没有伴随着厌恶性的内脏刺激输入，TMT变得安全。但是这种痕迹可以被修饰以响应可能到达TMT形成部位神经元的输入的内脏信息。味觉反应从安全到厌恶的传输转变的可能性随着时间的延长而减弱，这种修饰可能在新的味觉出险后几分钟甚至数小时内发挥作用。
这种味觉条件性厌恶或者偏好反应在果蝇实验中也有体现，例如将电击或者糖联系起来。两种条件性反应的形成都需要在同样的蘑菇体神经元亚群众的cAMP依赖的信号。但是，这种与厌恶相关的味觉记忆与多巴胺有关，反之食欲联合性条件反应需要奥克巴胺依赖的神经递质。
同样，NMDA受体的拮抗剂可以有区别的影响蟹类的联合性逃避反应，不过并不影响非联合性的逃避学习。这很有可能是因为杏仁核与US的关联性更大，而皮层胆碱能的活性在记忆形成时与CS的联系更加紧密。
安全味觉记忆的分子机制很有可能与其它认知记忆类似，如新异物体识别记忆、视觉认知记忆和电生理的可塑性变化。因此，很多证据都指向一点，那就是胆碱能的活化加入到认知记忆的活化中，并且毒蕈类的乙酰胆碱受体的活化看来能够引发长时间持续的分子变化，例如增强的ERK活化，增强的NMDA受体调节的反应和细胞水平的长时程抑制。
总之，这些数据都暗示了至少有两种可分离的记忆痕迹与不同生物化学和分子机制有关。

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