「一朝被蛇咬，十年怕草繩」，這是大家熟悉的恐懼記憶。然而，記憶如何形成？記憶的烙痕又是什麼？這是一百多年來神經科學家一直在尋找的答案。有人認為記憶的烙痕存在於神經細胞之間，也就是說，記憶的烙痕存在於一群特定的神經細胞中。

記憶若是刻痕於一群特定的神經細胞，其充分且必要的條件是什麼？過去曾有人把特定的神經細胞去除時，發現可以抹除恐懼記憶。也就是說，沒有了恐懼學習的神經細胞，就沒有了恐懼記憶。這樣的證據提供了恐懼記憶的必要條件，但是充分條件的證據仍然不足。意思是，若一群特定的神經細胞是恐懼記憶的烙痕，那麼必須有一個模擬的實驗，當活化那群恐懼學習時的烙痕細胞，就能出現恐懼記憶。

然而，在多達幾千億的大腦神經細胞中，如何找到特定事件學習時所活化的那群稀少的神經細胞，並且把它喚醒呢？發表在2012年3月《自然》期刊的一篇文章，應用光遺傳學法（optogenetics）標定小鼠在恐懼學習時相對應的神經細胞，稍後再用特定波長的光線來活化這些神經細胞，小鼠就表現了害怕、不敢動的記憶行為。這種方法不僅為大腦的研究提供了新的利器，也回答了神經科學界長久以來的問題。

光遺傳學法是2010年全世界科學家票選出來的年度風雲研究法，這方法結合了基因工程學和光學，可用來觀察和控制一組被基因標定的細胞。基因工程學的部分用來標定細胞，光學的部分則用來活化被標定的細胞。

用來標定細胞的基因有好幾種，其中之一是視紫質通道基因。當神經細胞被這基因標定時，其細胞膜上會表現視紫質通道蛋白。光學的部分是以特定波長活化視紫質通道蛋白，當這蛋白活化時，通道打開，造成神經細胞的去極化，而讓神經細胞活化。科學家就以光遺傳學法來標定恐懼學習的相關細胞，並且利用光纖使它活化，然後觀察恐懼記憶的行為。

利用光遺傳學法來標定和恐懼學習相關的神經細胞，要從哪個腦區著手呢？科學家首先想到的是腦中和記憶息息相關的海馬迴。海馬迴位在腦的邊緣葉，又可細分為好幾個小區，其中之一稱為齒狀回。許多研究顯示齒狀回跟我們的方位感有關，當我們進入一個房間時，有小部分（2～4％）的神經細胞會活化，進入另一個房間時，又有另一小部分的神經細胞會活化。而且這些細胞很忠實，當回到同一個房間時，又是相同的神經細胞會活化。因此齒狀回是一個研究情境記憶烙痕很理想的腦區。

 

如何找到齒狀回中記憶烙痕正在形成的那群細胞呢？首先科學家先讓轉殖基因小鼠全身（包括齒狀回）都帶有一個特別基因，這個基因有兩部分，前面是c-fos啟動子，後面是四環黴素調控蛋白（tetracyclin transactivator, 簡稱tTA）的基因。當小鼠學習時，神經細胞活性增加，c-fos啟動子於是啟動tTA基因，而做出tTA蛋白。

另外，利用立體定位儀把特殊重組病毒注射到腦中的齒狀回。這種特殊病毒被設計成帶有視紫質通道蛋白，且這蛋白的表現受到tTA蛋白的調控。當小鼠學習時，c-fos啟動子讓tTA調控蛋白表達出來後，進一步讓視紫質通道蛋白做出來。也就是說，學習時才活化的神經細胞會與眾不同，其細胞膜上由於能表現出紫質通道蛋白而被標定。

如何再度喚醒這群在學習時被視紫質通道蛋白標定的神經細胞呢？做法就是在小鼠的齒狀回埋入光纖，光纖所給予的特定光波可以活化視紫質通道蛋白。視紫質通道蛋白活化後，通道打開，造成神經細胞去極化，而讓神經細胞活化。因此測試記憶時，光纖啟動，神經細胞可再度活化；光纖關閉，神經細胞就不被活化。如此藉由光纖的開關，可在瞬間控制神經細胞的活性，然後觀察小鼠的記憶行為。

 

要在學習的恰當時機標定特定的神經細胞，還要再多加一個條件，就是在小鼠的食物中給予四環黴素。四環黴素會干擾tTA，使它無法發揮功能。小鼠吃了含有四環黴素的食物，齒狀回神經細胞膜上的視紫質通道蛋白不會表達出來，細胞就不會被標定。相反地，食物中不再給予四環黴素時，tTA就會讓神經細胞膜上的視紫質通道蛋白表達出來，細胞就被標定起來。因此，只要在食物中加入四環黴素與否，就可以控制是否只在學習進行時才把對應的神經細胞標定起來。

要用什麼行為模式來做學習和記憶的測試呢？近二十年來，神經科學界最常用的行為模式稱為恐懼制約學習。這種行為模式的其中一種做法，稱為情境式恐懼制約學習。這個方法在第一天把小鼠放在一個行為箱A中，給予電擊的恐懼制約，第二天讓小鼠回到行為箱A，小鼠就呈現害怕不敢動的恐懼記憶行為。可是如果放在完全不同的行為箱B中，小鼠不會呈現恐懼記憶行為。許多實驗證實海馬迴在情境式恐懼制約學習中扮演舉足輕重的角色，採用這行為模式再適合不過了。

 

然而，要利用光遺傳學法和情境式恐懼制約來提供恐懼記憶的充分條件，科學家們在方法上必須做些修飾。做法是先讓小鼠在行為箱A中待5天，給予四環黴素食物，但是不給恐懼制約。在這種情形下，視紫質通道蛋白不會表達，小鼠也不會呈現害怕行為。

接下來的兩天，食物中不給四環黴素，讓神經細胞上的視紫質通道蛋白有機會表現。再接下來的一天，才在另一個行為箱B中給予恐懼制約，讓小鼠在這行為箱中學到聲音和電擊連結而感到恐懼。這樣的小鼠不僅學到對電擊的恐懼，特別的是，負責恐懼學習的神經細胞被視紫質通道蛋白標定了。也就是說，恐懼學習的烙痕細胞被標定了。

 

接下來就是關鍵結果的呈現，連續5天把小鼠放回行為箱A，觀察小鼠的恐懼記憶行為。剛開始小鼠跟先前在行為箱A中的情形一樣，並不會感到害怕。若透過光纖給予特定波長的光線，令人興奮的結果出現了—小鼠出現害怕不敢動的行為。然而，若光線不在時，害怕的行為便不再出現。光線再啟動，害怕行為又出現。也就是說，用光線活化恐懼學習的烙痕細胞，恐懼記憶的行為就出現了。

 

真的是因為活化恐懼學習時對應的神經細胞，就引發恐懼的記憶行為嗎？科學家做了很多的小心求證。首先，還記得在小鼠齒狀回埋入的光纖嗎？如果透過光纖激活的不是恐懼學習的烙痕細胞，那麼也不會有恐懼記憶的行為出現。例如，在一模一樣的情境下，如果不給電擊，即使有神經細胞被基因標定，但和恐懼學習無關，那麼光纖即使激活這些細胞，也不會有恐懼記憶。

再者，如果在另外一個情境學習，即使神經細胞被標定，這些細胞雖然也能被光纖激活，但不會造成恐懼記憶。也就是說，特定的情境學習活化特定一群的神經細胞，不會混淆。

這研究利用光遺傳學法首度提出了恐懼學習的充分條件—直接活化一群參與記憶形成的細胞，就能誘發記憶行為。這個研究呼應了過去的結果，告訴我們一群特定的神經細胞是記憶烙痕的細胞基礎，而且特定的學習有特定的細胞來因應。

然而學習有不同的面向，整個學習過程中有不同的線索都足以誘發記憶，完整的記憶可能由幾個不同的記憶烙痕共同表徵。光遺傳學法提供了一個利器，在未來或許可以幫助科學家逐一定出記憶烙痕的各部分，以及它們之間的相互關係，而讓我們對於整個記憶烙痕有更全盤的了解。

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