编者前言：学习记忆的神经机制的探索一直是神经科学领域的重大热点之一。 本文将首先简要介绍突触可塑性，特别是长时程增强（LTP）的分子机制，包括短期和长期、突触前和突触后可塑性。 改变； 第二部分主要介绍不同类型学习的基本机制； 第三部分将分享一些关于内存操作的研究。
1.
是 new 、 、 、 、 、 和 的 。 广义上讲，学习是获取各种信息的过程，而记忆则是对这些信息的编码和存储。 从神经科学的角度来看，“学习（获取信息）然后形成并存储记忆”的过程取决于神经元之间连接的变化：新的连接可以被创建或消失，或者现有的连接可以被加强或减弱，本系列连接的变化可以统称为突触可塑性的变化。
关于突触可塑性如何受到经验和变化的影响，Hebb在1949年首次提出了一个假设：“……当细胞A的轴突靠近细胞B并且或参与其中时，某些或发生在一个或两个细胞中。细胞中的 A 作为 B 细胞之一，简而言之，就是“发射、连线的细胞”，这就是著名的赫布定律。该假设提出，当细胞靠近发射时，它们更有可能连接在一起（或者有1973年，Bliss和Lomo首次发现家兔海马的LTP现象，即对突触前进行短暂、高频的刺激可导致突触后EPSP（兴奋性突触后电位）振幅持续增强。随后，各种电生理学和细胞分子实验继续探索LTP产生的机制，图1显示了目前公认的海马区CA3-CA1突触发生中早期LTP的细胞分子机制1：
图 1. 早期 LTP 的细胞和分子机制
早期的 LTP 事件主要涉及现有突触蛋白的修饰。 LTP发生时，需要同时感知突触前和突触后神经元的活动。 突触后NMDAR就发挥着这样的作用。 它本身是一种阳离子通道蛋白，其通道开放需要满足两个条件：（1）突触前谷氨酸释放，（2）突触后膜去极化，通道内的镁离子才能被清除。 这些特性使得 NMDAR 能够同时检测突触前和突触后活动。 当这两个条件满足时，NMDAR通道打开，除了钠离子和钾离子外，钙离子也会大量流入。 它们通过与钙调蛋白和其他途径结合来激活复杂的细胞内信号传导途径，引起一系列下游变化。 最明显的影响之一体现在它对另一种谷氨酸受体 AMPAR 的影响。 这种作用主要有两个方面：一是使膜上产生更多的AMPAR受体；二是使膜上产生更多的AMPAR受体。 另一种是增加AMPAR的GluR1亚基。 碱基的比例从而增加了 AMPAR 的电导，最终增加了突触后神经元对谷氨酸的反应。 钙离子流入引起的级联反应还有另一个作用。 它促进突触后释放一些逆行传递的物质如NO、内源性大麻素等，通过一些特定的信号通路反向作用于突触前。 导致突触前谷氨酸释放的可能性增加。
图 2. 晚期 LTP 的细胞和分子机制
晚期LTP主要通过合成新蛋白（包括AMPAR和细胞骨架相关蛋白）来增加突触的大小或促进新突触的形成。
2. 种类的
根据不同的标准可以分为不同的类型。 目前经典的区分标准是根据刺激的多少分为非（非关联学习）和（关联学习）。 其中，非主要可分为（习惯化）和（敏化）。
所谓习惯化，是指当某种刺激重复多次出现时，机体对这种刺激的反应会逐渐减弱。 这是海兔鳃回缩反射的一个例子（图 3）。 正常情况下，当对海兔的气孔（）施加触觉刺激时，海兔的鳃会反射性地收缩。 反复受到相同的刺激后，可以看到海兔的鳃萎缩得越来越小。 这个反射环路非常简单，仅由一个和一个电机组成。 通过对运动和运动的电生理记录，研究人员发现它并不影响动作电位幅度，而是影响运动的EPSP（兴奋性突触后电位）。 通过随后的一系列电镜和细胞分子研究，最终发现海兔的疾病主要是由于突触前递质释放效率下降引起的。 具体机制之一是重复刺激导致突触前 SNARE 蛋白解离。 ，使囊泡释放位点处于关闭状态2。
图 3. 在
致敏机制的研究也是基于上述海兔鳃回缩反射通路。 结果发现，在触觉刺激气孔之前对海兔尾部进行电击可以增加海兔鳃回缩的程度（图4）1。 通过许多分子和细胞实验，发现尾部的疼痛信息通过血清素（5-HT）中间神经元影响鳃缩回反射通路。 5-HT会作用于该通路中的突触前，其主要作用有两个：一是关闭钾离子通道，增加基底膜电位水平，更有利于后续触觉刺激引起的动作电位的传播；二是关闭钾离子通道。 另一种是激活一些磷酸激酶来修饰囊泡转运蛋白，从而促进囊泡运动。 这两种效果相加，使触觉刺激更有效地诱导运动活动。
图 4. 在
相关学习主要是指动物学习两个刺激或两个事件之间的联系。 相关学习一般可以分为和。 这里主要介绍的是研究。
神经科学研究的一个常见范式是听觉恐惧反射。 在这种范例中，研究人员将声音和电击刺激结合起来训练小鼠——每隔一定时间向小鼠播放特定频率的声音（CS），同时对小鼠进行足部电击（US）。 训练前小鼠不会对声音做出反应，但经过反复训练后，一旦小鼠听到声音，就会表现出逃跑等恐惧反应。
介导听觉恐惧反射的回路已经在小鼠身上分析得比较清楚，2014年的一篇综述3总结了目前的进展：CS（声音）信息主要通过听觉丘脑传递到杏仁核，其中听觉皮层可以作为中继，US（电击）信息主要通过脊髓后角上传到导水管周围灰质PAG，然后通过内侧丘脑传输到杏仁核。 杏仁核是这两个回路的交叉点。 它同时接收来自CS和US的信息。 它是CS-US发生的部位，也是建立听觉反射的核心脑区。
图5.-基于恐惧
另一种范式也得到了更多的研究。 该范式使用特定的听觉或视觉刺激作为 CS，使用眼眶喷气作为 US。 该范式的电路研究主要集中在小脑。 图6显示了在此范例下CS和US进入小脑的神经回路4。
图 6. 在
3. 的
本节介绍一些关于操纵小鼠记忆的有趣研究。 这些研究主要采用恐惧范式。 首先，刘旭等人在实验室结合病毒和遗传手段，在编码场景B的海马DG（脑回，齿状回）区神经元中特异性表达光敏阳离子通道蛋白ChR2，并在场景B中恐惧。 然后在测试阶段，小鼠进入未经训练的场景A，理论上它们不会表现出该行为。 然而，如果同时用光激活编码场景B的细胞（印迹细胞），小鼠就会表现出这种行为。 恐惧行为5。这表明光激活储存某种记忆的细胞可以唤起这种记忆。 （图7）
图 7. of - 细胞后
来自同一实验室的其他人随后又进行了另一项实验（图8）。 他们标记了海马齿状回神经元（DG），当小鼠探索场景 A 时，这些神经元处于活跃状态，并在其中表达 ChR2； 然后他们让小鼠进入场景 B，在场景 B 中它们受到足部电击，同时发出光来激活编码场景 A 的神经元。在测试阶段，神奇的事情发生了。 事实上，老鼠在B场景中受到了电击，但老鼠在A场景中也受到了电击，所以可以说，虚假记忆是人为制造的！ 一定有人好奇，老鼠还会害怕场景B吗？ 答案是肯定的。 在这个实验中，人工创造的记忆和自然发生的记忆都会存在。 而且，该组小鼠在新场景C中没有表现，表明它还没有成为普遍行为。 6
图8. 细胞美国可伪造
美国在上述实验中仍然使用了真实的电击。 他们设计了一个实验，使用光激活的M72嗅觉受体作为CS，光激活的LHb-VTA通路作为US来训练小鼠。 他们发现这样的训练并没有真正的体验。 在这种情况下，小鼠仍然可以学习对M72的激活物质苯乙酮的厌恶反应（图9）。
图9.总共可以制作
讨论：
学习和记忆其实包括很多东西。 本文仅对一些经过深入研究的学习和记忆机制进行非常初步的介绍。 由于篇幅有限，没有提及很多解释学习机制的计算模型。 这些基于生物结构的提取和归纳的计算机制不仅可以加深我们对大脑工作原理的理解，还可以在某些方面（例如硬件和算法）激发更通用、更高效的人工智能的出现。
除了文中介绍的简单学习任务外，还有一些更为复杂的行为范式，有的甚至需要动物利用现有知识进行推理来完成任务。 由于任务复杂度高会导致训练难度增加，给实验设计和分析带来相当大的挑战。 该领域针对相对简单的运动范式的研究还相对较少。 然而，这些复杂范式的优点在于，其独特的设计可以更好地说明有学识的动物已经掌握了一定的知识，而不是仅仅建立条件反射来感受运动，这更有利于人们的高级认知功能，例如探索知识表示或推理过程的神经机制。
至于记忆，我们知道，记忆是由某一组印迹细胞组合而成，它们的联合激活可以让生物体回忆起当时的记忆以及脑海中相应的感受。 最重要的问题，也是最形而上的问题是，为什么生物只要这些细胞被激活就能“看到”场景？ 为什么另一组细胞的激活就能让你学到的某段知识出现在你的脑海里呢？ 我认为激活这些代表记忆的细胞大致有两种方式：一是感官接受外界刺激，从而自下而上一步步激活上游细胞，从而唤醒记忆。 这种方法相对来说比较好。 理解; 二是主动回忆脑海中的某个记忆。 这种类似于主观意识自上而下主动唤醒细胞的模式是如何实现的呢？ 为什么我们的“意念”能如此准确地找到并激活目标细胞，从而唤醒记忆？ 这些都是非常有趣的问题。 随着脑科学的发展，物质与精神的界限不断缩小、变得更加清晰。
参考：
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2. 将 TD & , TW 控制为 ，门控为 。 学习 Mem 92, 155-165, doi:10.1016/j.nlm.2009.03.006 (2009)。
3. Herry, C. & , JP 的恐惧和 。 Nat 17，1644-1654，doi：10.1038/nn.3869（2014）。
4. 大脑中的RF & Krupa、DJ。 Annu Rev 17, 519-549, doi:10.1146/.ne.17..（ 招聘网络 4）。
5. 刘X.等人。 的一种恐惧。 484, 381-385, doi:10.1038/ (2012)。
6.，S.等人。 一个假的。 341、387-391、doi：10.1126/。 （2013）。
7.，G.等人。 在. 国家 22, 933-940, doi:10.1038/-019-0389-0 (2019)。