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为什么人类没有进化出可以把(部分记忆)传给下一代的能力?

第一反应:这个问题并不是一个好的问题。首先,为什么人类没有进化出XXX是一类非常糟糕的提问方法。其次,知识/记忆是一个很宽泛的概念,尤其是神经科学领域和读者的定义可能有很大的区别。这个问题其实非常复杂,也很适合抛砖引玉,从中讲一些基础的神经生物学常识,以及神经科学中记忆/学习(Learning & Memory)以及表观遗传学(epigenetics)的前沿进展。因为要在很少内容里讲很多东西,表述上一定会有不严谨与产生偏差的地方,如有问题欢迎在评论区讨论。首先,最简单的回答就是:后天的学习和记忆都作用于成体的中枢神经系统,而你遗传给后代的是你的性细胞。有的答主提到人遗传的基因组的容量不超过1G,我觉得这种说法值得商榷,因为基因组并不是简单的字符串。以我现在的一些最新的了解,人类的基因组的三维结构也扮演着遗传过程中重要的角色,三维基因组的工作现在也是一个热点。下面我们进入神经生物学的部分。一 前置知识——神经生物学是怎么研究问题的记忆和学习,都有某种在中枢神经系统(大脑)的生理基础。它们受到基因和分子调控,表现为神经元的结构和活动模式,环路的投射和工作模式,以及脑区之间的关联。关于这点,有整个神经生物学历史上大量的研究来证明。简而言之,有这样一条链条:基因+分子—神经元(的结构/活动模式)—多个神经元组成的环路(的工作模式)—行为。这个链条上的四点是四种不同的维度,这里面随着技术进步,有许多研究范式。基因-行为 最早的forward genetics,就是随机筛选突变的果蝇,看这些XX基因突变的果蝇,在行为上是否有某种变化。这一套范式在上世纪80-90年代配合分子克隆的发展,使用的非常多。Seymour Benzer是这种方法的开辟者,去年的诺贝尔奖给予的昼夜节律,几个节律基因也是这样筛选出来的(其中一个得主正是Benzer的学生)基因/分子-神经元 神经元的结构和活动最主要的两个研究领域是突触可塑性和电生理,诸如Kandel,蒲慕明等科学家在上世纪90年代做了大量的工作。为什么我要强调突触可塑性呢?因为现在主流的观点是我们的记忆/学习是通过突触的重塑过程来完成的。在记忆领域,就发现了CaM Kinase II这个蛋白对于突触重塑非常重要,编码这个激酶的基因如果变异,小鼠的学习能力会大大下降。准确的说,这些小鼠在海马中的LTP下降了。(这是利根川进的工作,后面我们还会再次提到他)神经元-环路-行为: 这个可以自行搜索光遗传学 optogenetics,在此不再赘述。现在的一些好的前沿研究,都是要打通整个链条的,从分子/基因机制(比如,单细胞组学)—神经元活动/结构(比如,电生理)—环路(比如,从A脑区投射到B脑区)—行为(当然也包括学习/记忆)。我为什么要花费笔墨讲这个事情,是因为这是神经生物学里一个很重要的范式,对于一般读者来说,要明确这个层层递进的过程。事实上,学术界曾经也不知道有这样一个链条的存在,正如Benzer在60年代证明了单个基因突变的果蝇行为模式的差异后,他的老师Delbruck的反应是“我一个字都不相信”。二 知识是先天/后天皆有的很多答案指出,人天生会躲避风险,比如对一些气味感到厌恶以及对猛兽感到恐惧。在其他动物上也发现了大量的例子,比较经典的实验是给小鸡看一个特殊形状的木片,一个角度是猛禽状的,这些刚出生的小鸡天生会躲避;另一个角度看起来像鹅,这些小鸡就没有任何反应。有关本能行为的知识,可以去阅读骆利群的Principle of Neuroscience的第一章。当然这些本能行为能不能称为知识是个问题,我觉得提问者和读者也不会关注这种类型的知识。v2-c4989df672af4ca12cc544ed148e6dfc_hd三 表观遗传学遗传恐惧(这能不能算记忆?我觉得值得商榷)许多答案都提到了2015年那篇Nature Neuroscience,通过电击强化的第一代小鼠对樱花气味的恐惧(樱花的气味也使得这项研究充满浪漫色彩),能够被遗传到后两代。“对樱花气味的恐惧”这个机制应该怎么样被遗传呢?使用这一条分子/基因—神经元—环路—行为的逻辑链来解释是这样的:第一代小鼠对樱花气味的恐惧,通过表观遗传学机制改变了性细胞中的基因,这些基因的不同改变了气味-恐惧的神经元环路结构(嗅觉上皮—嗅小球—嗅觉皮层—杏仁核),从而产生了一种小鼠对于樱花味道产生恐惧的的倾向性。嗅觉上皮分布着嗅觉感受器,嗅小球整合嗅觉信息,嗅觉皮层分析嗅觉信息输入,杏仁核产生恐惧机制。这篇文章检验了小鼠嗅小球上的神经元投射模式,发现确实发生了变化。然而,由于嗅觉皮层向嗅觉皮层(尤其是梨状皮层)投射的随机性(non-spatial),就没法做整个环路在皮层和皮层到杏仁核的部分是否在投射模型(也就是结构上)发生了改变。嗅觉皮层的non-spatial性质我之后会专门写一篇文章介绍。换而言之,如果有研究做的视觉相关恐惧,理论上我们就能找视觉皮层内的神经元投射是否产生了变化,从而把这个链条补全。(当然在现在的技术来看也很难)四 有没有一种将知识/记忆传给其他个体的方法由于性细胞和体细胞的差异,通过遗传这条路看起来是很难走通。人的大脑连接组有10^15的连接数,如果人的意识是存储于连接组的话,想要通过一个性细胞去传递父/母的连接组信息是根本不可能的事情。不过记忆移植是否在技术上可行呢?某些记忆的移植/复制现在在技术上是可行的。前文提到的利根川进,在80年代因在免疫学上的贡献独自获得诺贝尔奖之后对神经科学中的记忆和学习产生了兴趣,MIT也为他建立了一座专门的研究中心。在90年代发现CaM Kinase II基因对小鼠的空间记忆产生至关重要后,在12年利根川实验室开发出了一套系统,简而言之就是结合基因工程和光遗传学,发展了可人为重新激活编码特定刺激的神经元组合(Engram cells)v2-d112119cd653d7b30c08f0d8bd046dbb_hdv2-c47cf08550c520234ed7bcc2c96e5fb2_hd理解这套系统需要理解诸如C-Fos,Cre-ER系统等高阶知识,我在这里也不想多做解释。讲一下这个实验的过程。首先给小鼠的海马神经元装上这套系统(不理解怎么装的请去了解光遗传学),随后在前5天内,让小鼠待在A环境内,产生某种记忆。(比如一直给糖水让它产生愉快的记忆,或者难闻的气味产生厌恶的记忆)。随后的3天内,将小鼠移出A环境放到B环境,也不给予产生记忆的物质。在这几天,前5天内,涉及A环境相关的愉快/厌恶记忆时活动的海马神经元组合在利根川实验室开发的系统下被标记,随后,用这套系统激活被标记的海马神经元。小鼠的记忆被复制,产生了和前5天一样的厌恶/愉快记忆。利用这套工具,利根川实验室又搞了很多大新闻,感兴趣的读者可以去看下每篇文章的原文/科普报道。v2-6764f5b2835d230a04ac1dddcedf9a5d_hd但是,必须要强调的是,这系列研究中的记忆都是context-memory,是比较简单的环境相关记忆。提问者和读者更关心的记忆/知识,比如家里的地址,和差化积公式,葛底斯堡演讲全文,这些在目前的技术下还很难实现。最后我想指出一点:目前的神经生物学能做的东西,受限于实验动物和技术条件,离人类的日常心智活动还是有一定距离的。神经生物学家讨论的记忆指的是:小鼠记住水迷宫里的方位,记住某个颜色的笼子里能有糖水喝等等,而一般民众讨论的记忆可能是:这篇文章的作者,我昨天上课学到的东西等等。关于人类的这种复杂学习和记忆,是否有严格的基因/分子-神经元-神经环路上的机制,还没有技术能去检验。换而言之,昨天你记住的黑板上写的数字是224还是225,这个区别到底是以什么生理机制储存在大脑中,并且是怎么被读写出来的,这还很不清楚。人的记忆和大脑工作模式的复杂程度很多时候是超乎想象的,如果有兴趣去了解一下concept cell就能对大脑之复杂,这项研究(在目前技术水平)下之困难有充分的了解。一些能够自搜索引擎上查到,且查到的信息比我一定讲的全面的知识 Forward genetics, Optogenetics, Olfactory System,C-Fos,Cre-loxP & Cre-ER电生理,LTP(Long-term potential),突触可塑性,context memory,concept cell如果对神经科学感兴趣,请通过Kandel/Liqun Luo/任意其他教科书系统学习。Reference:有空再补

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