海马与学习记忆的关系

1、海马与学习记忆的关系摘 要：海马(hippocampus)并非指传统中医药理论指导临床运用的中药海马，而是指人类大 脑颞内侧以及腹侧卷曲的海马回及齿状区。在与学习记忆有关的脑区中，海马结构的作用显得特别突出1。海马结构，属大脑边缘系统，近年来，AD与海马的神经生化和形态结构的联系是AD防治的研究热点。蒋云娜报道，Alcl3痴呆小鼠经中药治疗后，海马CA1区锥体细胞层神经元树突得以改善。这说明海马在AD发病和治疗上是一个值得关注的领域。海马与记忆有着密切的联系。海马通过脑干网状结构系统及皮质下行纤维接受来自视、听、触、 痛等多种感觉信息，并参与调节内分泌活动。 海马与记忆关系的研究，是近年来神经

2、生理心理方面一个有趣而重要的进展。本文就心理学、神经生理学、神经解剖学、病理学等反方面来阐述海马与学习记忆的关系，并提出相关的提高学习记忆的方法。关键词：海马学习和记忆 心理学神经生理学 神经解剖学病理学学习记忆是大脑最基本也是最重要的高级神经功能之一，是中枢神经系统功 能的整合.海马与学习记忆的关系密切，众多研究表明，损毁双侧海马动物的学 习记忆能力明显下降，对大鼠的分辨学习、防御条件反应的保持及空间习得能力 都有破坏.脑缺血是危害人类健康的常见病、多发病，患者常有相应的运动、感 知觉及学习记忆功能障碍，其中学习记忆障碍最为常见持久，且严重影响患者的 预后及生活质量诸多研究表明，康复治疗对缺

3、血性脑梗死患者在改善感觉、运 动、行为能力方面已获得明显的疗效本实验即通过光化学法诱导的双侧海马梗 死模型，观察大鼠双侧海马梗死后康复训练对学习记忆功能的影响1材料和方法1.1材料1.1.1自制冷光源由本科室和西安飞秒光电集团联合研制，光源为一充气氙灯，输出功率： Min 0008 W/cm2, Max 037 W/cm2，输出波长 490550 nm,波 峰530 nm,输出端连一直径06 mm的石英光纤.1.1.2实验动物及主要试剂2级SD大鼠30只，体质量为(210± 10) g ， 9海马与学习记忆的关系雄性，周龄810 wk,由本校实验动物中心提供；四氯四碘荧光素钠（虎红，

4、 RB 北京化工厂，批号：870627），密封避光保存，使用前用生理盐水稀释为 25 g/L 的浓度1.2器材1.2.1Morris 水迷宫为一直径150 cm、高70 cm的圆池，内有乳白色溶液， 水深47 cm.池壁上标有东南西北4个入水点，它们将水池分为4个象限.直径8 cm高45 cm的白色站台，随机置于圆池内某一象限并固定，站台没于水面下2cm.训练期间周围参照物保持不变.1.2.2明暗箱一箱为明室，另一箱为暗室，均为 35 cmx25 cmX 30 cm，两 室有一拱形小门相通，室底均为铜栅，先将大鼠放置在箱中适应 3 min，然后通 电5 min （50 V，交流电），并记录5

5、min内的钻洞次数（即错误反应次数），24 h 后进行测试，记录潜伏期和5 min内大鼠的钻洞次数.1.3方法1.3.1双侧海马梗死模型制作方法大鼠用20 g/L戊巴比妥钠按50 mg/kg常规麻醉后，将其俯卧于脑立体定位仪上，沿头颅正中切开头皮暴露颅骨，在前 囟后48 mm中线向左旁开36 mm处，用牙科钻轻轻钻一个直径约 1 mm的骨窗， 光纤管尾端至皮层下32 mm （海马CA1区），再定位右侧与之对称的位置，并开 一个骨窗.于尾iv虎红（浓度为70 mg/kg ）后，立即通过光纤管照射一侧海马 组织，照射完毕时再补充原虎红剂量的一半，然后立即进行另一侧的冷光源照射. 光照强度：Max，

6、照射时间： 各30 min.术后缝合头皮，正常喂养.1.3.2水迷宫训练第1日让大鼠自由游泳适应2 min，从第2日开始，从站 台所占象限外的另3个象限随机选择一个入水点，将大鼠面向池壁放入池中，观 察并记录大鼠寻找并爬上平台的潜伏期.如2 min内找不到站台，则将其在站台上放置30 s后再放回笼中，这时潜伏期记为 120 s.训练时分别从3个不同的入 水点入水，每次不同动物的入水点相同，训练顺序固定 .此项主要训练大鼠的学 习记忆功能和游泳能力.1.3.3动物分组将30只大鼠于造模后随机分为康复组和制动组，各 15只. 于造模3d后开始分别给予康复训练或制动，康复组每天上午训练 3次，每次间

7、 隔10 min ;制动组进入制动笼（长 40 cm,直径6 cm的网状笼）中饲养，在头 端有一容器给予食物和水，四肢和身体处于固定状态1.3.4学习记忆行为测试采用避暗法，该方法是测试被动回避反应；先将大 鼠放置在箱中适应3 min，然后通电5 min （ 50 V，交流电），并记录5 min内的 钻洞次数（即错误反应次数），24 h后进行测试.如大鼠进入暗室，因暗室底通有 微弱的电流刺激大鼠，故大鼠逃出暗室，5 min以内不进入暗室，就完成了学习， 24 h后的测试就是记忆能力；把大鼠放入明室始至进入暗室的时间称作潜伏期，进入暗室的次数为错误次数.我们分别在大鼠造模前、造模后3 d （训练

8、前）、康 复训练后7,14,21 d进行学习记忆能力测试.统计学处理：采用SPSS12C软件对明暗箱测试成绩进行统计，结果用 x ±s 表达，对造模前及造模3d后的组内资料按配对设计进行配对t检验；对造模后 各时间点数据进行重复测量数据的方差分析.2结果2.1明暗箱测试潜伏期康复组和制动组造模3 d后潜伏期明显较梗死前下降（t值分别为3364, 4326； P值分别为0005, 0001）;从方差分析结果看，康复 组与制动组之间的潜伏期存在明显差别（F=5158, P=0031），两组大鼠的记忆潜伏 期均随时间逐渐恢复，但康复组较制动组恢复显著（Tab 1）.表1康复、制动组 不同时

9、间的明暗箱测试潜伏期2.2明暗箱测试错误次数康复组和制动组造模 3 d后明暗箱错误次数明显增 多（t值分别为-3873，-4000 ； P值分别为0002, 0001）;从方差分析结果看， 康复组较制动组的错误次数明显减少（F=4699, P=0039，两组大鼠的学习成绩 均随时间逐渐恢复，但康复组较制动组恢复显著（Tab 2）.表2康复、制动组不 同时间的明暗箱测试错误次数3讨论学习记忆是大脑最基本也是最重要的高级神经功能之一，是中枢神经系统功 能的整合.海马与学习记忆的关系密切，众多研究表明，损毁双侧海马动物的学 习记忆能力明显下降，对大鼠的分辨学习、防御条件反应的保持及空间习得能力 都有

10、破坏.而且研究表明海马与近期记忆有关，损伤海马可引起近期记忆的高度 丧失，致使动物或患者丧失了学习新事物和新技巧的能力.在大鼠实验中还观察 到海马参与了近期记忆中的情节记忆过程，与空间位置的学习有关海马损伤或切除海马，将造成顺行性遗忘症在脑中风等脑缺血性疾病时，由于谷氨酸兴奋毒性作用，产生大量的自由 基、兴奋性氨基酸，导致细胞内钙离子超载，造成神经细胞变性坏死，影响了神 经元之间的信息传递，并最终引致脑功能障碍.海马CA1区对缺氧缺血特别敏感， 刘汇波等发现大鼠双侧颈总动脉结扎后存活 30 d时动物的海马CA1区神经元数 目显著减少，大量神经细胞的轴突缺如，海马锥体细胞密度减低，模型大鼠还存

11、在着与神经元损伤成正相关的学习记忆障碍诸多研究表明，康复治疗对缺血性脑梗死患者在改善感觉、运动、行为能力 方面已获得明显的疗效；记忆是中枢神经的整合 ，记忆细胞和分子基础定位于突 触，记忆形成的基础是突触效应增强行为学习改变了树突和突触形态结构，增 加了运动皮层和海马突触数密度和面密度，活化海马和运动皮层的传入通路；以 及NMD受体密度的增多，加强了 NMDAe体依赖的LTP的产生.余茜等的研究亦 发现，康复训练可使梗死大鼠海马突触界面曲率和突触后致密物厚度增大以及穿孔性突触的百分率增多，使不同活性区传递功能大大增强，同时海马NMD；受体通道开放电导水平、开放时间和开放概率的改变，进一步增强了

12、突触传递功能，使其习得性LTP形成速度明显快于对照组，其结果是影响整个脑的场电位P300而影响梗死大鼠的学习记忆行为.本实验室既往的研究也证实康复训练能促进神 经功能及学习记忆的恢复Morris水迷宫是英国心理学家 Morris和其同事于20世纪80年代初设计并 应用于学习记忆脑机制研究的.此后,该迷宫系统被广泛运用在神经生物学领域 的基础和应用研究中，实验动物主要是大鼠，是常用的检测空间学习记忆的装 置.Morris水迷宫实验模型的优点是，能排除动物在完成作业而经过的途中所留 下的排泄物和所分泌的外激素对其他动物作业成绩产生的影响.Chang等观察到长期的迷宫训练能促进神经元的树突发出侧支，

13、何海蓉等发现，适宜温度游泳能改善衰老动物学习记忆能力，可见水迷宫训练对神经信息回路的重建有积极意义 因此，在本实验中，我们采用 Morris水迷宫训练作为康复训练手段，观察了康 复训练对双侧海马梗死后大鼠学习记忆功能的影响本实验结果表明，双侧海马梗死后，大鼠出现了明显的学习记忆能力下降，证 实了海马对学习记忆功能的重要作用从时间上看，两组大鼠于训练后均出现潜 伏期逐渐延长，错误次数逐渐减少，但康复组较制动组恢复明显有研究发现损毁双侧海马导致的空间作业习得的损害， 会随着训练次数的增加而逐渐减弱、 消 失.而且海马不同区域对学习和记忆的参与是不同的，如，损毁海马腹部大鼠分 辨学习的保存明显受到破

14、坏，而海马背部损毁其分辨学习的保存则不受影响；又如，应用电刺激和电毁损法发现，CA1区与分辨学习有关，齿状回则与分辨学习 的反转有关，而CA3区则在长时记忆的保持中起重要作用.本实验模型为双侧海 马CA1区局灶性梗死，可能因为梗死灶仅局限于海马 CA1区，功能环路未完全破 坏，或者大脑其他功能区参与了学习记忆的代偿， 再加上大鼠本身功能恢复较快， 导致制动组学习记忆成绩也逐渐恢复， 但与康复组比较，其学习记忆成绩明显较 差，仍能证实康复训练对学习记忆功能恢复的促进作用 康复训练可能通过改变 梗死大鼠海马的突触结构，活化突触间传递通路，促进习得性LTP的产生，进而增强海马突触效应的可塑性，改善大

15、鼠认知功能，最终促进了海马梗死大鼠学习记忆功能的恢复1从心理学、神经生理学讨论海马 LTP效应1973年Bliss和Lmo在麻醉家兔海马结构时发现了这种单突触诱发反应长 时间易化现象，将之定义为长时程突触增强（Long-term potentiation,LTP）。随后生 理学、心理学研究围绕证明LTP是学习记忆的一种神经基础展开。 通常认为LTP 可分为习得性LTP和非习得性（强直性）LTP。Teyler提出在行为反应迅速改变的 过程中，如果LTP是学习记忆的神经基础的话，理应也能迅速作相应的改变。由此产生2种推论：（1）在海马细胞体层引导到的群体峰电位（population spike,P

16、S） 的发展变化超前于条件性行为的变化；（2）随条件反应建立、巩固、消退、再建 立，相应地出现LTP的产生、巩固、消退与再产生。已有充分证据从正反两方 面证明两点的真实性及其协同性2。从海马齿状回、CA1到CA3区均有习得性 长时程增强的突触效应，表明 LTP是学习记忆的神经基础之一。阮迪云认为， LTP是高频刺激后引起EPSP长时间持续增加的过程，是学习和记忆储存的功能 单位。海马结构中贯穿径路的纤维、苔藓纤维 schaffer侧支、锥体细胞轴突等内部 环路都以Glu作为主要神经递质。Glu在海马内主要有2种受体，即NMDA和 非NMDA（包括QA、KQ、APB），已知在LTP的诱发过程中非

17、习得性LTP（例如 强直性LTP的诱发）与NMDA受体上Ca2+i直接相关，刺激酪氨酸激酶、Ca2+ 钙调蛋白激酶U、蛋白激酶C都能引起Ca2+i增加，直接诱导NMDA产生LTP， 同时习得性LTP的发展变化规律研究进一步提示，学习记忆是一种包含着联系 神经网络的复杂智力过程。Ach受体、GABA受体、NMDA受体及非NMDA广 泛地参与习得性LTP的形成3。更为有意义的结果是，比较保持状态的习得性 LTP与刚形成的习得性LTP，经药物处理后，后者消退得更慢。梁伟国提出，使 用相同剂量的NMDA 受体阻断剂（aamino-5-phosphonovaleric acid,APV），前者消 退更慢

18、，并认为保持时间越长，突触后受体数目增加、敏感性增加程度越多。2从神经解剖学、病理学讨论海马突触效应从神经解剖角度来看，长时记忆的机制与突触的形态、功能以及突触间联系 的建立、突触的可塑性变化密切相关。Kaudel在海兔缩鳃反射形成长时程习惯 化时，观察到感觉神经元-运动神经元突触的前膜上活化区大大减少，且活化区 内囊泡数量明显减少，而突触有效程度由正常的90%降到30%4。洪岸对3组大鼠齿状回分子层作常规电镜观察及突触的体视学定量分析后，发现老年学习记忆减退鼠较老年记忆正常鼠和青年鼠海马CA1区齿状回分子层突触数、面密度明显减少，单个突触平均面积明显增大，且与行为损害显著相关(丫=.5813

19、,P<0.05)。同期研究发现海马神经元结构的复杂变化与学习、记忆密切相关。王旭明等提出在血浆糖皮质激素升高条件下，CA1、CA3区可见细胞层减少排列稀疏，有 固缩细胞，细胞突起呈念珠状变化，锥体细胞树突棘减少均为海马神经元的退行 性变化特征 。进一步分子水平研究揭示，与年青大鼠相比，背海马内生成抑 素MRNA(SSMRNA)胞体数量明显减少(P<0.01),胞体灰质度值明显升高 (P<0.01),表明具有退行性变化。显然，这些细胞学变化必然导致功能上的改 变，神经元形态结构及RNA的退行性改变和细胞丢失必然会影响信息的贮存乃 至学习记忆功能。病理学家认为老年性痴呆(seni

20、le dementia of Alzheimer type,SDAT)是中枢神 经系统广泛性溃变疾病，其特有的临床表现一一记忆丧失、与基底前脑胆碱能溃 变直接相关。周丽华等对SDAT动物模型进行移植治疗后提出，对双侧海马进行 单纯胆碱能脑组织移植及联合移植胆碱能和NA能胚胎脑组织均能存活，移植物与宿主交界处有大量胆碱乙酰转移酶(CHAT)分布，偶见酪氨酸羟化酶(TH)分散分布，均能有效改善损伤大鼠的记忆，且前者较后者效果好7。另外，Nilsson已经证实海马内联合移植胆碱能及 5-HT能脑组织较单纯胆碱能移植更好地改善 损伤鼠的记忆8。王阿敬等报道海马及第 3脑室内移植自体或新生大鼠颈上神 经节9，利用其神经细胞具有合成及释放儿茶酚胺的能力，补充脑内某些递质 含量而改善受损的记忆能力。3结语海马作为大脑边缘系统，与记忆相关的探讨政成为研究的热点。海马局部 血栓形成后组织缺血缺氧，产生大量的自由基、兴奋性氨基酸，导致细胞内钙离