当我们学习新知识时，我们的脑细胞(神经元)会通过电信号和化学信号相互交流。如果同一组神经元经常相互交流，它们之间的联系就会变得更强。这个过程有助于我们的大脑学习和记忆事物，被称为 长期增强 或 LTP。
另一种类型的 LTP 发生在大脑暂时缺氧时—— 缺氧诱导的长期增强作用或 aLTP。aLTP会阻断前一种过程，从而损害学习和记忆。因此，一些科学家认为 aLTP 可能与中风等疾病中出现的记忆问题有关。
冲绳科学技术研究所 (OIST) 的研究人员及其合作者详细研究了 aLTP 过程。他们发现维持 aLTP 需要氨基酸谷氨酸，它会触发神经元和脑血管中的一氧化氮 (NO) 生成。该过程形成正谷氨酸-NO-谷氨酸反馈回路。他们的研究发表在 iScience上，表明 aLTP 的持续存在可能会阻碍大脑的记忆强化过程，并解释某些患者中风后出现的记忆丧失现象。
大脑对低氧的反应
当大脑缺氧时，神经递质谷氨酸会从神经元中大量释放。谷氨酸的增加会导致 NO 的产生。神经元和脑血管中产生的 NO 会在 aLTP 期间促进神经元释放谷氨酸。即使大脑获得足够的氧气后，这种谷氨酸-NO-谷氨酸循环仍会继续。
“我们想知道缺氧会如何影响大脑，以及这些变化是如何发生的，”前 OIST 细胞和分子突触功能部门研究员、这项研究的主要作者 Han-Ying Wang 博士表示。“众所周知，缺氧时，一氧化氮会参与大脑释放谷氨酸，但其机制尚不清楚。”
中风时，大脑缺氧，健忘症(即失去近期记忆)可能是症状之一。研究缺氧对大脑的影响很重要，因为它具有潜在的药用价值。“如果我们能弄清楚这些神经元缺氧时出了什么问题，这可能会为治疗中风患者指明方向，”OIST 感觉和行为神经科学部门的科学家 、细胞和分子突触功能部门前成员 Patrick Stoney 博士解释说。
将小鼠的脑组织放入盐溶液中，模拟活体大脑的自然环境。通常，这种溶液是充氧的，以满足脑组织的高氧需求。然而，用氮气代替氧气，研究人员可以在精确的时间内剥夺细胞的氧气。
随后，研究人员在显微镜下检查这些组织，并在其上放置电极，记录单个细胞的电活动。研究人员以模拟活体小鼠细胞受刺激的方式刺激这些细胞。
停止记忆和学习活动
科学家发现，维持 aLTP 需要大脑中的神经元和血管产生 NO。来自 OIST 光学神经成像部门的合作科学家 表明，除了神经元和血管外，aLTP 还需要另一种脑细胞星形胶质细胞的活动。星形胶质细胞连接并支持神经元和血管之间的通信。
“长期维持 aLTP 需要不断合成一氧化氮。NO 合成是自我维持的，由 NO-谷氨酸环路支持，但阻断 NO 合成的分子步骤或触发谷氨酸释放的分子步骤最终会破坏环路并停止 aLTP，”OIST 前细胞和分子突触功能部门负责人 Tomoyuki Takahashi 教授解释说。
值得注意的是，支持 aLTP 的细胞过程与参与记忆强化和学习 (LTP) 的细胞过程相同。当 aLTP 存在时，它会劫持 LTP 所需的分子活动，而去除 aLTP 可以挽救这些记忆增强机制。这表明，长期的 aLTP 可能会阻碍记忆形成，这可能解释了为什么一些患者在短暂中风后会出现记忆丧失。
高桥教授强调，当大脑暂时缺氧时，谷氨酸和NO之间会形成正反馈回路，这是一项重要发现。它解释了长期的aLTP，并可能为缺氧导致的记忆丧失提供解决方案。
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