當我們學習新知識時，我們的腦細胞(神經元)會通過電信號和化學信號相互交流。如果同一組神經元經常相互交流，它們之間的聯系就會變得更強。這個過程有助于我們的大腦學習和記憶事物，被稱為 長期增強 或 LTP。

另一種類型的 LTP 發生在大腦暫時缺氧時—— 缺氧誘導的長期增強作用或 aLTP。aLTP會阻斷前一種過程，從而損害學習和記憶。因此，一些科學家認為 aLTP 可能與中風等疾病中出現的記憶問題有關。

沖繩科學技術研究所 (OIST) 的研究人員及其合作者詳細研究了 aLTP 過程。他們發現維持 aLTP 需要氨基酸谷氨酸，它會觸發神經元和腦血管中的一氧化氮 (NO) 生成。該過程形成正谷氨酸-NO-谷氨酸反饋回路。他們的研究發表在 iScience上，表明 aLTP 的持續存在可能會阻礙大腦的記憶強化過程，并解釋某些患者中風后出現的記憶喪失現象。

大腦對低氧的反應

當大腦缺氧時，神經遞質谷氨酸會從神經元中大量釋放。谷氨酸的增加會導致 NO 的產生。神經元和腦血管中產生的 NO 會在 aLTP 期間促進神經元釋放谷氨酸。即使大腦獲得足夠的氧氣后，這種谷氨酸-NO-谷氨酸循環仍會繼續。

“我們想知道缺氧會如何影響大腦，以及這些變化是如何發生的，”前 OIST 細胞和分子突觸功能部門研究員、這項研究的主要作者 Han-Ying Wang 博士表示。“眾所周知，缺氧時，一氧化氮會參與大腦釋放谷氨酸，但其機制尚不清楚。”

中風時，大腦缺氧，健忘癥(即失去近期記憶)可能是癥狀之一。研究缺氧對大腦的影響很重要，因為它具有潛在的藥用價值。“如果我們能弄清楚這些神經元缺氧時出了什么問題，這可能會為治療中風患者指明方向，”OIST 感覺和行為神經科學部門的科學家 、細胞和分子突觸功能部門前成員 Patrick Stoney 博士解釋說。

將小鼠的腦組織放入鹽溶液中，模擬活體大腦的自然環境。通常，這種溶液是充氧的，以滿足腦組織的高氧需求。然而，用氮氣代替氧氣，研究人員可以在精確的時間內剝奪細胞的氧氣。

隨后，研究人員在顯微鏡下檢查這些組織，并在其上放置電極，記錄單個細胞的電活動。研究人員以模擬活體小鼠細胞受刺激的方式刺激這些細胞。

停止記憶和學習活動

科學家發現，維持 aLTP 需要大腦中的神經元和血管產生 NO。來自 OIST 光學神經成像部門的合作科學家 表明，除了神經元和血管外，aLTP 還需要另一種腦細胞星形膠質細胞的活動。星形膠質細胞連接并支持神經元和血管之間的通信。

“長期維持 aLTP 需要不斷合成一氧化氮。NO 合成是自我維持的，由 NO-谷氨酸環路支持，但阻斷 NO 合成的分子步驟或觸發谷氨酸釋放的分子步驟最終會破壞環路并停止 aLTP，”OIST 前細胞和分子突觸功能部門負責人 Tomoyuki Takahashi 教授解釋說。

值得注意的是，支持 aLTP 的細胞過程與參與記憶強化和學習 (LTP) 的細胞過程相同。當 aLTP 存在時，它會劫持 LTP 所需的分子活動，而去除 aLTP 可以挽救這些記憶增強機制。這表明，長期的 aLTP 可能會阻礙記憶形成，這可能解釋了為什么一些患者在短暫中風后會出現記憶喪失。

高橋教授強調，當大腦暫時缺氧時，谷氨酸和NO之間會形成正反饋回路，這是一項重要發現。它解釋了長期的aLTP，并可能為缺氧導致的記憶喪失提供解決方案。

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