學習之後要讓記憶能夠穩定持久的存在，必須要利用腦部將刺激訊號轉換成分子蛋白的表達，也就是影響基因轉錄及轉譯的整個調控過程，在學習之後分子改變的整個過程，於基因的層次上尚未詳細被研究，因此在本篇論文中作者想探討長期記憶的建構過程中對腦部海馬迴 (Hippocampus)基因表達的影響。
作者以電擊的方式刺激老鼠產生恐懼的記憶，並利用核醣體圖譜 (Ribosome profiling; RPF)分析及RNA定序 (RNA sequencing)的實驗方法，量化老鼠在受到恐懼刺激之後，腦部海馬迴的基因轉錄及轉譯狀態。結果發現了不同的抑制基因表達之調控類型：抑制海馬迴中核醣體的蛋白質轉譯，以及抑制雌激素受體1 (Estrogen recrptor; ESR1)的訊息傳遞路徑 (ESR1/ERα)，以改變蛋白質表達。進一步分析蛋白表達的實驗結果發現，Nrsn1蛋白的過度表達或者過度活化，會造成海馬迴的損傷，進一步降低記憶力的形成。
以下為作者的一些實驗結果及說明：
老鼠動物模式之實驗設計組別：
1. 控制組 (Control)
2. 恐懼刺激5分鐘
3. 恐懼刺激10分鐘
4. 恐懼刺激30分鐘
5. 恐懼刺激4小時
首先，作者以電擊方式製造老鼠的恐懼記憶，並且設計不同時間點的實驗組別，於控制組及不同的實驗組別取出老鼠腦部海馬迴的細胞，進一步打破細胞後分離出RNA及核醣體蛋白來分析細胞內基因表達的狀態。
圖一、製造恐懼記憶隻老鼠動物模式，以及核醣體圖譜及RNA定序方法
接著，從實驗分析結果中發現，產生恐懼記憶的老鼠，海馬迴中核醣體及蛋白質合成相關蛋白的表達量都降低了。
圖二、抑制老鼠海馬迴中核醣體及蛋白表達
接下來，進一步分析細胞內的訊號傳遞路徑，從實驗結果中作者發現，恐懼記憶形成後30分鐘到4小時，細胞內會持續性抑制ERS1基因表達，進而降低下游相關蛋白表達，而這些受到抑制的蛋白類型很廣泛，包含：細胞離子通道蛋白 (Ion channel)、膜蛋白接受器 (Membrane receptor)、運輸蛋白 (Transporter)、酵素蛋白 (Enzyme) 等等。
圖三、恐懼記憶會持續性抑制ERS1基因表達，進而降低下游相關蛋白表達
進一步設計兩種恐懼記憶的動物模式：恐懼長期記憶及短期記憶。長期記憶的實驗方式是給予足部電擊後於24小時再次給予電擊刺激，期間會伴隨聲音或燈光等輔助刺激老鼠的恐懼反應，動物會產生呼吸頻率改變、心跳加速或血壓上升等生理行為的變化，也會有因恐懼而產生靜止不動或驚嚇反射等行為模式，持續刺激兩天後進行試驗分析；而短期記憶的實驗方法則是將24小時縮短為間隔1小時，刺激兩次後再進行實驗觀察分析。從作者實驗結果中可以發現，Nrsn1蛋白表達量明顯較低，尤其在恐懼長期記憶的組別更為明顯，並且作者進一步發現，Nrsn1蛋白過度表達會降低海馬迴的記憶力形成過程。
圖四、恐懼長期/短期記憶之實驗方法及結果
從以上作者的實驗結果可以知道，記憶力的建構過程需要複雜的分子訊息傳遞、活化及表達，而恐懼的記憶會影響特定的基因及蛋白質的表達 (如：ESR1、Nrsn1)，進而影響學習過程中記憶的形成過程。但是這篇論文只是一個研究記憶力形成過程中分子層次調控的開端，詳細的訊息傳遞路徑及網絡是更為複雜且尚待被研究的，尤其在人體中的調控機制更比老鼠還要複雜許多。透過這篇文章，帶我們初步認識了基因調控與記憶力建構的關係，至於恐懼記憶降低記憶力的建構過程影響的程度，還需要更多的研究才能進一步了解了。也許未來可以開發健康食品影響海馬體內某些基因表達，或透過記憶訓練來加強或抑制某些基因開啟，進而幫助改善記憶力也說不定呢！
參考資料：
1. Jun Cho, Nam-Kyung Yu, et al. Science 350(6256):82-87; 2015.
2. http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20080307/4.html
3.http://tedxtaipei.com/articles/steve-ramirez-and-xu-liu-a-mouse-a-laser-beam-a-manipulated-memory/
Edited by Perfect叔叔
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