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「光」如何轉換記憶的情緒?聊聊「光遺傳學」

有時舊地重遊,不免觸景傷情。如果能把對「舊地」傷心難過的回憶,轉換成愉悅的回憶,想必會大大地影響生活。科學家從小鼠實驗中找到了腦中齒狀回與杏仁核連結的迴路,此迴路對記憶與情緒的連結相當關鍵,並發現可以透過活化特定神經細胞,將與位置記憶相連的情緒轉換。這是透過一種用光影響特定細胞活性的方法——光遺傳學。
 
 
在人生經驗中,總會有些不好的回憶,舊地重遊時會心情低落,或感到憤怒及恐懼,試想若能將這些情緒轉換成愉悅的心情,會對生活有多大的影響啊!

不同的記憶被儲存在大腦不同的區域中,其中與位置相關的記憶存於海馬迴的齒狀回中,而與記憶相關的情緒則在杏仁核中。Roger Rendondo與Joshua Kim在小鼠實驗中找到了腦中齒狀回與杏仁核連結的迴路,此迴路對記憶與情緒的連結相當關鍵,並發現可以透過活化特定神經細胞,將與位置記憶相連的情緒轉換,這是透過一種用光影響特定細胞活性的方法——光遺傳學()。

此研究於2014年8月發表於《Nature》雜誌,以電擊腳掌及與異性共處,分別做為恐懼及愉悅的事件,先將公小鼠經歷恐懼事件或愉悅事件的尾狀回細胞標定(詳細步驟可參照延伸閱讀),當以光活化標定細胞時,公小鼠會因感受恐懼或愉悅,規避或偏好特定的區域。後將公小鼠放入觀察箱中,觀察公小鼠偏好的活動的區域,當其走到偏好的區域時,以光刺激活化在之前電擊事件中標定的尾狀回細胞,可發現公小鼠會轉而迴避其原本偏好的區域。反之,活化愉悅事件中標定的尾狀回細胞,可使公小鼠在原先較不偏好的區域待較長的時間。研究者也發現,再度刺激尾狀回細胞,給予相反的情緒記憶,公小鼠會再度改變行為,顯示此類位置記憶與情緒連結具可替代性。但在研究中,若是刺激杏仁核細胞,則無法改變公小鼠對位置的行為。
 
將尾狀回細胞以基因工程在特定情況下表現視紫質通道蛋白,用藍光經光纖刺激目標細胞,可以透過影響記憶與情緒的連結,改變記憶的情緒。(圖/盧妍竹)
▲將尾狀回細胞以基因工程在特定情況下表現視紫質通道蛋白,用藍光經光纖刺激目標細胞,可以透過影響記憶與情緒的連結,改變記憶的情緒。(圖/盧妍竹)
 
可見,以尾狀回細胞為標的,記憶的情緒是可轉換的,可以在刺激後將愉悅或恐懼的情緒替換,但若刺激杏仁核細胞,則不能輕易地替換不同的情緒,推測是因為杏仁核中的神經細胞標有「好情緒」或「壞情緒」,而非同時具備兩者。在實驗中,研究者也發現,前後以不同情緒事件刺激尾狀回細胞的小鼠,在第一個事件中活化的杏仁核細胞群在第二個事件刺激後,活化的比例降低。研究者推測改變記憶中的情緒,可能透過使尾狀回細胞與不同群的杏仁核細胞相連結,進而引起不同的後續反應。上述發現能提供更有效的畏懼症、創傷症候群等精神疾病的藥物開發標的及治療方法。

另外,Boyden團隊在2014年7月6日的《自然神經科學》上發表可用於替代目前光遺傳學使用的視紫質通道蛋白的新的感光蛋白Jaws,這種感光蛋白對紅光較為敏感,用光源在腦外照射,透過活化氯離子通道,抑制腦神經細胞活化,在小鼠實驗中效果可深達顱內3毫米,且效果等同於現有的侵入性的方法,未來也許可以取代現有植入光纖的方法,為非侵入性的腦科學研究及人體治療帶來曙光。

責任編輯盧妍竹
審校張惠博
 
參考資料
 
1. Redondo, R.L., et al.(2014) Bidirectional switch of the valence associated with a hippocampal contextual memory engram. Nature, 513(7518): 426-430.
2. Chuong, A.S. et al. (2014) Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. Nat. Neurosci. 17, 1123–1129.
 
:光遺傳學是一種結合基因工程與光學的方法,可透過基因工程使特定細胞表現感光蛋白(如視紫質通道蛋白)後,用適合的波長活化標定的細胞。現在多以實驗體內中埋入光纖,再將光源導入。

 
來源:
  • 科技部補助「學習在雲端——揭開科學與科技的神秘面紗」計畫
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