On the molecular basis of enduring memory in neurons,and cell fate in fibroblasts

神經(jīng)元持久記憶和成纖維細(xì)胞命運(yùn)的分子基礎(chǔ)

https://academic.oup.com/nar/article/54/8/gkag337/8663818

摘要

記憶可以持續(xù)一生，而這是如何實(shí)現(xiàn)的仍然是一個(gè)未解的挑戰(zhàn)。目前大多數(shù)觀點(diǎn)將記憶的分子痕跡（記憶印跡）視為一組促進(jìn)神經(jīng)元共同發(fā)放和共同連接的突觸蛋白。然而，大多數(shù)蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)時(shí)間在幾個(gè)月或更短。另一個(gè)挑戰(zhàn)是成纖維細(xì)胞如何數(shù)十年記住其細(xì)胞命運(yùn)，而一個(gè)新興模型認(rèn)為功能相關(guān)的基因在簇（稱為轉(zhuǎn)錄工廠和凝聚體）中共同轉(zhuǎn)錄，制造指定細(xì)胞命運(yùn)的RNA。由于簇集是由隨時(shí)間作用的熵力驅(qū)動(dòng)的，最早的細(xì)胞可能就已擁有這種記憶系統(tǒng)，且大自然可能在神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化時(shí)利用它來存儲(chǔ)記憶印跡。隨后，轉(zhuǎn)錄創(chuàng)造了原始的神經(jīng)元基質(zhì)并定義了哪些細(xì)胞被包含在共同連接和共同發(fā)放的回路中，之后進(jìn)行性細(xì)胞分化鞏固了長期記憶。我推測轉(zhuǎn)錄扮演著另一個(gè)核心角色。對(duì)于每一個(gè)添加到新生RNA上的核苷酸，轉(zhuǎn)錄都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)焦磷酸——這是一種螯合劑，能隔離那些可以修飾動(dòng)作電位脈沖序列的鈣離子。換句話說，那個(gè)指定細(xì)胞命運(yùn)的同樣的納米線連接DNA計(jì)算機(jī)，可能存儲(chǔ)并操縱我們的記憶。

引言：神經(jīng)記憶印跡

記憶可以持續(xù)一生（圖_1A），為此提供分子層面的解釋仍然是神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)核心挑戰(zhàn)。一個(gè)多世紀(jì)前，Semon提出了一種涉及記憶印跡（engrams）的記憶理論 [1]。記憶印跡有許多定義；我采用Josselyn和Tonegawa的定義，將其視為持久的離線記憶物理/化學(xué)痕跡（由學(xué)習(xí)引發(fā)，發(fā)現(xiàn)于神經(jīng)元群中）[2]。我的重點(diǎn)將放在持續(xù)數(shù)十年的痕跡上。

在記憶測試期間活躍的神經(jīng)元通常以轉(zhuǎn)錄因子（TFs）如CREB（cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白）的磷酸化為標(biāo)志，這刺激了即刻早期基因（例如 c-fos）的發(fā)放；隨后，神經(jīng)元中磷酸化的CREB或 c-fos 指向一個(gè)記憶印跡。更具說服力的證據(jù)是通過在習(xí)得前破壞功能、在沒有線索的情況下通過電刺激記憶印跡細(xì)胞來提取記憶，以及在沒有預(yù)先訓(xùn)練的情況下植入記憶以模擬相關(guān)記憶而獲得的 [2]。

在我將稱之為“標(biāo)準(zhǔn)”模型 [2] 的內(nèi)容中，記憶痕跡是一個(gè)具有“增強(qiáng)”突觸的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，它們協(xié)同工作，正如Hebb所假設(shè)的那樣，并且能夠被“共同發(fā)放的細(xì)胞連接在一起”（cells that fire together, wire together）[3] 所捕捉。那么，突觸處穩(wěn)定連接的蛋白質(zhì)將構(gòu)成一個(gè)記憶印跡，記憶的提取則是作為電脈沖序列。這通過將假設(shè)的記憶印跡——不同的接線圖或連接組（connectomes）——附加到巴甫洛夫的狗身上來說明，這是在著名的條件反射實(shí)驗(yàn)期間（圖_1B）。信息通過兩種一般方式傳播：通過沿著神經(jīng)元傳遞的脈沖序列中的動(dòng)作電位（與跨突觸的囊泡運(yùn)輸耦合），以及作為鈣（Ca）瞬變?cè)谏窠?jīng)元內(nèi)及神經(jīng)元與周圍細(xì)胞之間通過間隙連接和納米管傳播——這個(gè)網(wǎng)絡(luò)通常被視為支持神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) [4–9]。記憶處理和計(jì)算隨后發(fā)生在神經(jīng)網(wǎng)中的突觸處。

長時(shí)程增強(qiáng)（LTP）——突觸強(qiáng)度或連通性的持續(xù)增加——是這種接線的基礎(chǔ) [10]。LTP根據(jù)涉及的分子（例如受體、離子通道）或時(shí)間跨度（例如持續(xù)幾分鐘到幾小時(shí)的短期，持續(xù)數(shù)小時(shí)的早期，以及持續(xù)更久且需要蛋白質(zhì)合成加上轉(zhuǎn)錄和蛋白酶體介導(dǎo)的降解的晚期）進(jìn)行細(xì)分 [11–13]。樹突棘通常在數(shù)天內(nèi)隨著突觸強(qiáng)度的增加而出現(xiàn)，隨后收縮，這種突觸可塑性與記憶和遺忘相關(guān) [14]。

來自模仿我們大腦的硬件和軟件的見解

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)使用具有馮·諾依曼架構(gòu)的硅芯片，其中存儲(chǔ)地址在邏輯上是相同的，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或指令。相比之下，我們大腦中的地址是非等效的，具有相互鏈接的存儲(chǔ)和處理。因此，類腦硬件 [15,16] 和軟件 [17–20] 正在被開發(fā)。兩者都具有令人驚訝的特性。

神經(jīng)形態(tài)硬件通常包含憶阻器（memristors，“memory”和“resistors”的合成詞）。與電阻器不同，憶阻器“回憶”之前有多少電荷通過它，即使在斷電時(shí)也是如此。流經(jīng)兩個(gè)熱力學(xué)隔離的憶阻器的流動(dòng)自發(fā)地演變?yōu)榫哂凶畲箪氐姆€(wěn)定（不變）平衡。相比之下，熱力學(xué)開放對(duì)（pairs）有幸擁有產(chǎn)生復(fù)雜涌現(xiàn)振蕩的可能性——但僅在一個(gè)精確定義的稱為“混沌邊緣”（the edge of chaos）的域中 [21]。在憶阻器網(wǎng)絡(luò)中，信息流的兩個(gè)度量——傳遞熵和主動(dòng)信息存儲(chǔ)——在系統(tǒng)接近混沌時(shí)達(dá)到最大 [22]。這引出了一個(gè)問題：赫布網(wǎng)絡(luò)（Hebbian networks）是否在混沌邊緣運(yùn)作？

憶阻器的概念發(fā)明者——Chua——提供了一般混沌理論的見解（例如解釋圖靈不穩(wěn)定性，以及解決Smale悖論），以及動(dòng)作電位是如何涌現(xiàn)的 [23,24]。在后一種情況下，他從熱力學(xué)第二定律開始：軸突只有在由外部能源供應(yīng)時(shí)才會(huì)發(fā)放。他然后想象一個(gè)神經(jīng)元位于混沌邊緣（一種漸近穩(wěn)定狀態(tài)），在那里它獲得了放大能量中無限小波動(dòng)的能力——從而產(chǎn)生“全或無”的脈沖。他接下來使用非線性微分方程來計(jì)算定義這個(gè)“金發(fā)姑娘區(qū)”（Goldilocks zone，即恰到好處區(qū)域）的精確參數(shù)。他的參數(shù)重現(xiàn)了那些通過實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)，他得出結(jié)論我們的大腦在混沌邊緣工作。

脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SNNs）通常是核心算法，其中“脈沖”攜帶信息，且脈沖時(shí)間依賴可塑性調(diào)整“突觸權(quán)重”。使用非等效地址（與相同地址相比）帶來了許多優(yōu)勢 [25]：神經(jīng)形態(tài)算法更快（存儲(chǔ)和處理相互鏈接，因此沒有馮·諾依曼瓶頸），更高效（數(shù)據(jù)在本地處理，所以“嗅覺”和“聽覺”“神經(jīng)元”可以同時(shí)運(yùn)行不同的算法），更節(jié)能（所以“神經(jīng)元”不會(huì)過熱），可適應(yīng)（“突觸權(quán)重”即時(shí)改變），以及更穩(wěn)定（去中心化網(wǎng)絡(luò)盡管有連接丟失仍保留功能）。因此，SNNs執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，如識(shí)別手勢和語音命令，非常像人類 [26]。當(dāng)然，這些神經(jīng)形態(tài)算法不適合我們的筆記本電腦執(zhí)行的精確順序任務(wù)，而且調(diào)試它們眾所周知是困難的。

記憶印跡的細(xì)胞基質(zhì)

我選擇顆粒細(xì)胞作為范例，因?yàn)樗鼈兪切∈笮∧X中的主要神經(jīng)元類型 [27, 28]，但這些論點(diǎn)適用于網(wǎng)絡(luò)中其他層的其他細(xì)胞。 unsurprisingly（不出所料），顆粒細(xì)胞在大腦發(fā)育和功能中起著核心作用 [29]。它們的特征在于擁有所有神經(jīng)元中細(xì)胞核與突觸之間最短的距離（約 15 μm）。它們還表達(dá)區(qū)域特異性的信使 RNA（mRNA）組 [30]。請(qǐng)注意，mRNA 可以以約 0.1–1 μm/min 的速度從細(xì)胞核快速轉(zhuǎn)運(yùn)至突觸 [31, 32]。即使在輸入和輸出突觸相距數(shù)百微米的錐體細(xì)胞中，細(xì)胞核也總是策略性地定位于兩者之間 [33]。此外，約 5 個(gè)顆粒細(xì)胞的胞體通常被來自一個(gè)膠質(zhì)細(xì)胞（一種被膜原生質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞）的細(xì)胞質(zhì)“面紗”所覆蓋 [4]。為什么進(jìn)化最小化了細(xì)胞核與鄰近細(xì)胞功能接觸之間的距離？

盡管我們大腦中的形態(tài)學(xué)細(xì)胞類型很少，但單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示了令人眼花繚亂的不同類型數(shù)量 [34–37]，而確定究竟有多少種取決于所使用的算法和閾值 [38]。我使用編碼果蠅生殖行為的 fruitless 神經(jīng)元來說明這種多樣性。僅對(duì)約 2500 個(gè)細(xì)胞的分析就發(fā)現(xiàn)了 113 個(gè)不同的組，對(duì)其中的 46 個(gè)組進(jìn)行詳細(xì)檢查顯示，含同源框的轉(zhuǎn)錄因子（TFs）在表達(dá)上的變化最大，而免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域的富集程度最高——每個(gè)組都表達(dá)一套獨(dú)特的庫（repertoire）[39]。這表明轉(zhuǎn)錄因子驅(qū)動(dòng)單一神經(jīng)通路內(nèi)的分化，產(chǎn)生許多聚集在一起的不同細(xì)胞類型。

腦細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄上高度活躍

轉(zhuǎn)錄顯然在記憶印跡的形成與功能中起著重要作用[40–42]。例如，轉(zhuǎn)錄活性與去極化及其相關(guān)的鈣瞬變緊密相連[43–45]。此外，向體外生長的神經(jīng)元前體細(xì)胞添加尼古丁會(huì)立即使其去極化，在5分鐘內(nèi)使c-fos轉(zhuǎn)錄增加十倍[46]。編碼轉(zhuǎn)錄因子（TFs）的其他數(shù)百個(gè)基因也在幾分鐘內(nèi)被開啟[47]。類似地，KCl去極化在2小時(shí)內(nèi)激活了超過12,000個(gè)增強(qiáng)子處的轉(zhuǎn)錄，使結(jié)合到它們上面的RNA聚合酶II的量增加了一倍[48]。同樣值得注意的是，在FANTOM5小鼠數(shù)據(jù)集中，腦細(xì)胞表達(dá)的（不同的）增強(qiáng)子RNA（eRNAs）比其他任何組織都多[49]，表達(dá)的mRNA比成纖維細(xì)胞多[37]，并且擁有數(shù)量驚人的長非編碼RNA、微小RNA和環(huán)狀RNA[50–52]。請(qǐng)注意，新生人類eRNA的數(shù)量以約10:1的比例超過新生mRNA[53]。

在記憶印跡的寫入和讀取過程中，表達(dá)模式會(huì)發(fā)生類似于發(fā)育過程中出現(xiàn)的變化。例如，在小鼠遭受足部電擊后激活的神經(jīng)元被分離并進(jìn)行了分析[54]。染色質(zhì)立即變得更具可及性。在記憶鞏固期間，隨著啟動(dòng)子:增強(qiáng)子相互作用的重排，少數(shù)基因變得活躍。在提取過程中，在編碼階段被激發(fā)（primed）的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子之間出現(xiàn)了新的接觸，許多參與局部蛋白質(zhì)合成和突觸形態(tài)發(fā)生的基因變得更加活躍。這些緩慢的變化鏡像反映了分化過程中觀察到的變化。另一個(gè)例子強(qiáng)調(diào)了特定TFs的作用[55]。兩組小鼠在獎(jiǎng)勵(lì)相關(guān)情境中接受訓(xùn)練：一組進(jìn)行高頻重復(fù)訓(xùn)練（因此它們能記住訓(xùn)練內(nèi)容長達(dá)數(shù)周，通過預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)的舔舐行為檢測到），另一組訓(xùn)練頻率較低（因此它們忘記了）。對(duì)丘腦-皮層回路中單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析揭示了與記憶和遺忘相關(guān)的不同TFs群。靶向CRISPR敲除隨后指出，一些TFs對(duì)記憶形成沒有影響，而另一些則影響穩(wěn)定化（例如，鈣調(diào)蛋白依賴性因子CAMTA1是維持?jǐn)?shù)天記憶所必需的，但TCF4和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶ASH1L是記住數(shù)周所必需的）。

請(qǐng)注意，許多奇特的腦轉(zhuǎn)錄本來源于轉(zhuǎn)座元件中的啟動(dòng)子，這些轉(zhuǎn)座元件的擴(kuò)散與哺乳動(dòng)物大腦的進(jìn)化巧合地同時(shí)發(fā)生[56, 57]。此外，我們大腦中進(jìn)化最快的序列是大于1 kbp的重復(fù)片段，它們被視為我們擴(kuò)展的新皮層和更高神經(jīng)元連通性的驅(qū)動(dòng)因素；我注意到，這些重復(fù)片段中的31個(gè)候選基因中有11個(gè)編碼表面分子[58]。

這些結(jié)果提出了許多未解答的問題：為什么神經(jīng)轉(zhuǎn)錄活性如此相關(guān)、高度活躍且“嘈雜”（顯然處于混沌邊緣），以及為什么我們不能僅僅按比例放大果蠅大腦就能使我們像現(xiàn)在這樣思考（而不需要新的TFs）？

一個(gè)悖論：我們的大腦是雙模態(tài)的，既運(yùn)作得非常快，又運(yùn)作得非常慢

Zheng和Meister [59] 使用概略性數(shù)據(jù)來強(qiáng)調(diào)人類信息吞吐量（僅約10比特/秒）與我們以約10?比特/秒收集數(shù)據(jù)的感覺系統(tǒng)之間的鮮明對(duì)比。較小的數(shù)值（10比特/秒）適用于所有人類行為，包括感知、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能；它是通過對(duì)說話、閱讀、打字、記憶數(shù)字和解魔方等活動(dòng)進(jìn)行平均得出的。請(qǐng)注意，從一個(gè)神經(jīng)元到下一個(gè)神經(jīng)元的信息傳遞依賴于脈沖時(shí)間（皮層放電率通常僅為每秒幾次脈沖），且信息論告訴我們每次脈沖約攜帶2比特信息。較大的吞吐量（10?比特/秒）是通過計(jì)算單只眼睛中的視錐細(xì)胞得出的。每個(gè)受體將動(dòng)態(tài)光輸入轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的膜電壓（輸出約270比特/秒），600萬個(gè)視錐細(xì)胞產(chǎn)生約1.6×10?比特/秒。由此，一個(gè)打字員的大腦僅篩選出執(zhí)行必要擊鍵所需的10比特/秒。Zheng和Meister認(rèn)識(shí)到許多人會(huì)對(duì)他們關(guān)于大腦運(yùn)作如此之慢的說法感到不滿（例如參見[60]），但他們?nèi)詧?jiān)持認(rèn)為輸入比特流與處理比特流是非常不同的。

現(xiàn)在考慮我們大腦的數(shù)據(jù)容量與其存儲(chǔ)的記憶相比如何[59]。容量上限是通過將突觸數(shù)量（約101?）乘以突觸強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)范圍（約5比特）得出的——這給出≈50 TB。如果為每個(gè)神經(jīng)元添加幾個(gè)比特來指定不同的功能參數(shù)，這幾乎不會(huì)增加總數(shù)，因?yàn)樯窠?jīng)元總數(shù)僅約1011個(gè)[61]。由于≈50 TB的容量如此巨大，因此存在大規(guī)模冗余和/或僅選擇極小數(shù)據(jù)子集的空間。此外，如果一個(gè)人以10比特/秒的速度每天24小時(shí)、持續(xù)100年不睡眠地吸收信息，所有產(chǎn)生的記憶總量也不足4 GB！由于這個(gè)量如此之小，這意味著不同記憶之間必然存在大規(guī)模的交錯(cuò)存儲(chǔ)（全息圖提供了對(duì)空間信息集進(jìn)行類似壓縮的機(jī)制）[62]。

Zheng和Meister得出結(jié)論，我們的大腦是雙模態(tài)的：高維度的外周輸入在中心被急劇過濾為稀疏的比特流[59]。換句話說，存在兩種記憶：一種是短期記憶，信息通過突觸在細(xì)胞間快速傳遞；另一種是數(shù)據(jù)被緩慢存儲(chǔ)和處理的記憶。Gershman也提出必須存在兩種使用不同算法的記憶機(jī)制：推理參數(shù)存儲(chǔ)在突觸中并通過突觸可塑性進(jìn)行更新，而生成式參數(shù)則在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)以另一種分子形式存在，并通過生化過程進(jìn)行更新[63]。換句話說，該系統(tǒng)在不同的位置以不同的速度運(yùn)行不同的記憶/處理模塊（數(shù)字式、模擬式）。

突觸記憶存在的一些問題

盡管普遍認(rèn)為突觸連接捕獲了學(xué)習(xí)引發(fā)的長期變化，但許多人認(rèn)為缺乏直接證據(jù)。例如，Gershman列出的一部分反面證據(jù)如下[63]（另見[64]）。(i) 突觸前和突觸后神經(jīng)元必須在40–60毫秒內(nèi)發(fā)放才能改變突觸強(qiáng)度，但動(dòng)物能夠?qū)W會(huì)間隔數(shù)小時(shí)的刺激之間的關(guān)聯(lián)。(ii) 海馬體中的大多數(shù)樹突棘（突觸強(qiáng)度/連通性的標(biāo)志物）每2周更新一次，但記憶可以持續(xù)更長的時(shí)間。(iii) 通過電擊訓(xùn)練以避開氣味的果蠅幼蟲，在相關(guān)突觸（嗅覺投射神經(jīng)元與蘑菇體神經(jīng)元之間）解體時(shí)，仍能通過變態(tài)發(fā)育保留該記憶。(iv) 在缺乏蛋白激酶C某種亞型的突變小鼠中，海馬長時(shí)程增強(qiáng)（LTP）減弱，但突變體仍然能夠?qū)W會(huì)執(zhí)行依賴海馬體的任務(wù)（在莫里斯水迷宮中游泳）。我在此列表中補(bǔ)充：(v) 本能及其被稱為‘ingrams’的記憶印跡類似物可延續(xù)數(shù)代[65]。例如，在籠中繁殖的實(shí)驗(yàn)室小鼠在接觸到潛在捕食者的圖像時(shí)會(huì)倉皇躲避，而這些捕食者只能在幾代以前被看到[66, 67]。(vi) 突觸傳遞的能量消耗很高，但人類的感覺刺激和解決認(rèn)知問題僅略微增加能量需求。

此外，靈長類動(dòng)物單位腦質(zhì)量的能量消耗大致與神經(jīng)元數(shù)量成正比，而非突觸數(shù)量或連接組復(fù)雜性[68]。(vii) 通過納米管網(wǎng)絡(luò)（長度約3 μm）傳遞的鈣瞬變?yōu)橥挥|細(xì)胞間連接提供了替代途徑，但這些納米管的半衰期為數(shù)小時(shí)[8]。這些反面證據(jù)的一個(gè)共同特征是，難以想象能夠持續(xù)一生的記憶機(jī)制。

記憶分子

DNA arguably（可以說）是長期信息存儲(chǔ)的最佳基質(zhì)，并且在體外計(jì)算中被廣泛用于此目的[69]。來自格陵蘭北部沉積物的序列保持著約200萬年的當(dāng)前最長壽命記錄；它們編碼了一個(gè)包含楊樹、乳齒象、馴鹿和鵝的生態(tài)系統(tǒng)[70]。那么，人們可以想象，獲取記憶會(huì)改變序列，就像淋巴細(xì)胞DNA記錄對(duì)抗原的記憶一樣；然而，目前沒有證據(jù)支持這種定向改變（但存在非定向改變）[71]。RNA 穩(wěn)定性較差，但很少被認(rèn)為編碼記憶印跡（然而，參見[64]）。Francis Crick 指出，除 DNA 外，幾乎所有大分子都在數(shù)月或更短時(shí)間內(nèi)更新（圖2A），并提出了一種依賴于雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的簡單持久性機(jī)制（圖2B）[72]。已知許多此類開關(guān)（例如影響突觸穩(wěn)定性的 CAMK2A 和 PKMζ）[12, 73]。這些激酶具有活性（磷酸化）和非活性狀態(tài)，并且——當(dāng)新的非活性分子出現(xiàn)時(shí)——如果大多數(shù)現(xiàn)有分子處于非活性狀態(tài)，它們將保持不變。然而，磷酸化會(huì)激活它們，使它們現(xiàn)在能夠磷酸化非活性分子。因此，替換舊分子的新分子會(huì)獲得舊分子的狀態(tài)——從而分子記憶得以存續(xù)。如果激酶是多聚體結(jié)構(gòu)的一部分（CAMK2A 是十二聚體，PKMζ 錨定在一個(gè)大型 KIBRA 復(fù)合物上），穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)[74]。這種機(jī)制能夠在其所有組成部分被替換后依然存續(xù)，就像忒修斯之船盡管所有木材都被更新卻依然存在一樣。

雖然蛋白質(zhì)是流行的記憶分子[2, 12, 75, 76]，但其他分子也持續(xù)被提出。這些包括通過 G4-四鏈體[77]、甲基化[78, 79] 或在相關(guān)組蛋白上沉積標(biāo)記[78, 80] 對(duì) DNA 的修飾，以及通過新合成、m6A 修飾、可變剪接，甚至編碼如 ARC 和 CAMK2A 等蛋白質(zhì)的 mRNA 在神經(jīng)元間轉(zhuǎn)移[81–83] 對(duì) RNA 的修飾。

所有這些機(jī)制都需要兩個(gè)“缺失的環(huán)節(jié)”——一個(gè)負(fù)責(zé)將信息從突觸傳遞到內(nèi)部記憶存儲(chǔ)庫（在組蛋白修飾的情況下指細(xì)胞核），以及第二個(gè)負(fù)責(zé)生成響應(yīng)性脈沖序列——全部在回憶一段記憶所花費(fèi)的那一秒內(nèi)完成。因此，它們并未得到廣泛認(rèn)可，而克里克（Crick）的雙相開關(guān)則見于大多數(shù)記憶模型中。我現(xiàn)在描述兩種截然不同的記憶機(jī)制。

細(xì)胞命運(yùn)與晝夜節(jié)律的記憶

當(dāng)一個(gè)成纖維細(xì)胞分裂時(shí)，其子代通常能"記住"其細(xì)胞命運(yùn)長達(dá)數(shù)十年（圖2C）。這就是為什么轉(zhuǎn)錄組學(xué)能夠讓我們?nèi)绱司_地定義細(xì)胞類型[84–87]。這種記憶是細(xì)胞自主的，因?yàn)橐粋€(gè)克隆中的所有成纖維細(xì)胞都被明確證實(shí)為成纖維細(xì)胞。

一個(gè)調(diào)控晝夜節(jié)律的記憶系統(tǒng)疊加在這種細(xì)胞命運(yùn)記憶之上，存在于從最簡單的兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物到人類的生物體中。這些節(jié)律涉及保守的負(fù)反饋回路、雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)以及轉(zhuǎn)錄激活因子/抑制因子（例如在人類中，CLOCK–BMAL1 復(fù)合物加上 PER1、PER2、CRY1、CRY2 驅(qū)動(dòng)任何特定組織中表達(dá)的約 5%–20% 基因的晝夜節(jié)律性轉(zhuǎn)錄）[88, 89]。雖然這些節(jié)律由每日太陽周期同步（在人類中通過下丘腦視交叉上核實(shí)現(xiàn)），但它們?cè)诔掷m(xù)黑暗中培養(yǎng)的細(xì)胞中仍能持續(xù)存在。

為什么命運(yùn)選擇和晝夜節(jié)律如此持久？為解答這一問題，我回顧轉(zhuǎn)錄因子（TFs）如何調(diào)控指定命運(yùn)的特定基因組的表達(dá)。

轉(zhuǎn)錄的另一種觀點(diǎn)

在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄模型中[90]，沿 DNA 散在分布的基因彼此獨(dú)立地被轉(zhuǎn)錄（圖 3Ai）。然而，現(xiàn)有證據(jù)表明，大多數(shù)轉(zhuǎn)錄本是由 RNA 聚合酶的簇群合成的（圖 3Aii）[91]。此類聚集體被稱為轉(zhuǎn)錄工廠[92, 93]、簇群[94]、凝聚體[91]、液滴[95]、樞紐[96] 和囊袋[97]。我將使用"簇群"（cluster）一詞來指代這些結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兌及瑱C(jī)器的局部高濃度，通過質(zhì)量作用定律確保高效的 RNA 生產(chǎn)（例如，哺乳動(dòng)物細(xì)胞中一個(gè)工廠內(nèi) RNA 聚合酶 II 的濃度比核質(zhì)中高約 1000 倍）[92]。這一觀點(diǎn)引出了一個(gè)具有兩個(gè)核心概念的"全基因組"（pan-genomic）模型[98]。首先，錨定在簇群附近的啟動(dòng)子比遠(yuǎn)處的啟動(dòng)子更頻繁地激活（在圖 3Aii 中，e 比 d 更頻繁地激活）。其次，不同的簇群含有不同的轉(zhuǎn)錄因子，專門負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄不同的小世界基因組轉(zhuǎn)錄單元（在圖 3Aii 中，粉色的持家單元在粉色簇群中共同激活，而僅在神經(jīng)元中激活的綠色單元?jiǎng)t在綠色簇群中共同激活）。因此，神經(jīng)元和成纖維細(xì)胞含有不同的簇群，轉(zhuǎn)錄不同的單元；兩者也都含有共同的簇群，負(fù)責(zé)合成持家 mRNA 和 eRNA（作者提交的手稿標(biāo)題為"轉(zhuǎn)錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲"）。換句話說，簇群類型決定細(xì)胞命運(yùn)。當(dāng)然，表觀遺傳輸入和來自周圍環(huán)境的信號(hào)會(huì)強(qiáng)化特定的命運(yùn)[99]。

由于支持這種替代觀點(diǎn)（圖 3Aii）的證據(jù)已被綜述[91, 98]，我僅提及支持它的三類證據(jù)。第一，大多數(shù)基因組接觸應(yīng)涉及活躍的轉(zhuǎn)錄單元；事實(shí)確實(shí)如此。因此，在細(xì)菌中，Hi-C 顯示活躍的 RNA 聚合酶錨定了幾乎所有環(huán)[100]。在哺乳動(dòng)物中，現(xiàn)有最高分辨率的接觸數(shù)據(jù)（使用區(qū)域捕獲 micro-C 和小鼠胚胎干細(xì)胞中的 Klf1 + Ppm1g 基因座獲得）顯示，67%–74% 的接觸涉及合成 mRNA 和 eRNA 的活躍單元（相比之下，涉及 CTCF 和黏連蛋白的僅占 4%）[101]。第二，本質(zhì)上所有轉(zhuǎn)錄都應(yīng)發(fā)生在簇群中；事實(shí)確實(shí)如此。因此，我們的基因組編碼數(shù)百個(gè) rRNA 基因，但只有那些在核仁中成簇的基因才會(huì)被聚合酶 I 復(fù)制[102, 103]。類似地，>92% 由聚合酶 II 和 III 合成的新生 RNA 都集中在核仁外簇群中[93]。第三，相關(guān)單元應(yīng)在富含適當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子的簇群中共同轉(zhuǎn)錄；事實(shí)確實(shí)如此。因此，基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)是小世界網(wǎng)絡(luò)[104, 105]，由 NFκB 激活的即刻早期基因，以及由 ERα（或 KLF1、或 TFEC 等）激活的其他基因組，都僅在活躍時(shí)共同成簇[94, 106–108]。

我將簇群描述為"紅色"、"綠色"或"藍(lán)色"，以代表在不同細(xì)胞類型中發(fā)現(xiàn)的簇群。然而在實(shí)踐中，顏色以復(fù)雜的方式混合[109]，這反映在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組中，例如，在一組成纖維細(xì)胞群體中，每個(gè)細(xì)胞都具有其特征性的轉(zhuǎn)錄模式[35, 37]。

驅(qū)動(dòng)簇群形成的力

三種重要的力驅(qū)動(dòng)著簇群的形成。首先，一種經(jīng)典機(jī)制涉及能夠二聚化的轉(zhuǎn)錄因子（TFs），許多轉(zhuǎn)錄因子正是如此（圖3Bi）[110]。因此，一旦兩個(gè)TFs結(jié)合到鄰近的特異性位點(diǎn)，它們就會(huì)被暫時(shí)限制在局部體積內(nèi)，這增加了它們碰撞并發(fā)生二聚化的幾率。其次，考慮一個(gè)尺寸大于5納米且對(duì)其他任何蛋白質(zhì)均無親和力的DNA結(jié)合蛋白/復(fù)合物（圖3Bii）。在擁擠的細(xì)胞環(huán)境中，許多較小的分子（<5納米）從四面八方撞擊它。如果兩個(gè)大分子恰好相互接觸，小分子會(huì)被空間位阻排除在兩者之間的綠色區(qū)域之外，因而無法將它們撞開。結(jié)果，小分子在相對(duì)兩側(cè)施加力，使兩個(gè)大分子保持在一起——盡管它們彼此之間并無親和力。換言之，將兩個(gè)大分子有序排列所付出的自由能代價(jià)，小于眾多小分子無序度（熵）增加所帶來的收益。如果這些復(fù)合物結(jié)合到DNA上，這種熵驅(qū)動(dòng)的“耗盡吸引力”便會(huì)穩(wěn)定簇群[111]。第三種力是通過（布朗動(dòng)力學(xué)）模擬揭示的：代表大型聚合酶/TF復(fù)合物的紅色球體可逆地結(jié)合到啟動(dòng)子上；這些球體自發(fā)聚集成簇（圖3Biii）[112, 113]。這種涌現(xiàn)過程需要二價(jià)/多價(jià)性，使得復(fù)合物能夠作為橋梁來穩(wěn)定DNA環(huán)；因此，它被稱為“橋接誘導(dǎo)的吸引力”。形成橋梁會(huì)使啟動(dòng)子的局部濃度加倍，從而觸發(fā)正反饋，該過程無需額外能量輸入即可招募更多的復(fù)合物/啟動(dòng)子（直至達(dá)到無法再壓縮進(jìn)更多DNA的物理極限）。當(dāng)對(duì)紅色和綠色復(fù)合物進(jìn)行模擬時(shí)，會(huì)自然形成界限分明的紅色和綠色簇群。當(dāng)用代表局部轉(zhuǎn)錄活性的顏色來標(biāo)記代表整個(gè)人類染色體的長鏈時(shí)，拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（TADs）和A/B區(qū)室均會(huì)自然顯現(xiàn)，無需引入任何額外機(jī)制。鑒于這三種力的存在，大自然面臨一個(gè)選擇：要么消耗能量去阻止簇群形成，要么順勢而為并加以利用——正如我們所主張的那樣[98]。

簇群穩(wěn)定性與細(xì)胞命運(yùn)的記憶

細(xì)胞命運(yùn)通常被認(rèn)為通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作以及與染色質(zhì)表觀遺傳標(biāo)記的耦合來指定[114]。對(duì)具有隨機(jī)連接節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)的模擬表明，穩(wěn)定性島嶼（“吸引子”狀態(tài)）會(huì)自然涌現(xiàn)[115]。然而，生物網(wǎng)絡(luò)是以特定且分層的方式連接的：主調(diào)控因子控制次級(jí)調(diào)控因子，并最終通過正反饋和負(fù)反饋控制效應(yīng)基因[116]。轉(zhuǎn)錄的替代觀點(diǎn)指出了一種額外且穩(wěn)定的細(xì)胞命運(yùn)編碼方式，該方式通過定義細(xì)胞類型的簇群來發(fā)揮作用。這些決定性網(wǎng)絡(luò)是物理結(jié)構(gòu)（與抽象的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)形成對(duì)比）。我現(xiàn)在描述此類網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育過程中是如何變化的。

考慮一個(gè)“瓦丁頓景觀”，其中“山丘”和“山谷”代表引導(dǎo)細(xì)胞走向所需命運(yùn)的“能量勢”（圖4Ai）[117, 118]。不可避免的轉(zhuǎn)錄或表觀遺傳噪聲被可視化為隨機(jī)出現(xiàn)的“減速帶”，使細(xì)胞偏離正確路徑（在此，減速帶使祖細(xì)胞偏離至不需要的成肌細(xì)胞路徑）[119]。根據(jù)任何模型，如果山谷較深，系統(tǒng)會(huì)更穩(wěn)健，因此細(xì)胞不太可能無意中滑入錯(cuò)誤的山谷（圖4Aii）。我們已經(jīng)看到力驅(qū)動(dòng)單體進(jìn)入簇群（圖4B），實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)[93]，因此力的平衡必須確保簇群處于比單體更深的自由能極小值中（作者提交的手稿題為“轉(zhuǎn)錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲”）。因此，轉(zhuǎn)錄深嵌于瓦丁頓景觀中的簇群基因應(yīng)能減輕噪聲的影響，從而穩(wěn)定簇群并增強(qiáng)命運(yùn)記憶。

在景觀中滾動(dòng)的細(xì)胞會(huì)經(jīng)過決定命運(yùn)的關(guān)鍵決策點(diǎn)。值得注意的是，處于這些點(diǎn)的細(xì)胞會(huì)過度表達(dá)看似不需要的轉(zhuǎn)錄本[120, 121]，正如該論文標(biāo)題所概括的：“全轉(zhuǎn)錄組噪聲控制哺乳動(dòng)物祖細(xì)胞的譜系選擇”[121]。我提出，表達(dá)新的轉(zhuǎn)錄因子會(huì)增加噪聲，使系統(tǒng)擾動(dòng)至接近混沌狀態(tài)[21]，并使景觀平坦化以簡化向新狀態(tài)的過渡（圖4B；作者提交的手稿題為“轉(zhuǎn)錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲”）。那么，重編程成纖維細(xì)胞的命運(yùn)——通過轉(zhuǎn)染編碼MyoD的互補(bǔ)DNA（cDNA）將其變?yōu)槌杉〖?xì)胞[122]，或使用四種山中因子（Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4）將其變?yōu)檎T導(dǎo)多能細(xì)胞[123]，或使用化學(xué)方法將其變?yōu)樯窠?jīng)元[124, 125]——都將通過使景觀平坦化來發(fā)揮作用。

許多輸入信號(hào)影響命運(yùn)決定并穩(wěn)定選擇；這些信號(hào)可以隨機(jī)地、誘導(dǎo)地或選擇性地發(fā)揮作用[126–128]。例如，小鼠胚胎中的移植實(shí)驗(yàn)明確表明，初始（na?ve）細(xì)胞可以被強(qiáng)制沿著截然不同的通路發(fā)育[127, 128]。此外，許多表觀遺傳修飾在轉(zhuǎn)錄水平（因此在簇群中）發(fā)揮作用，以建立和強(qiáng)化選擇（例如通過與“印記”相關(guān)的組蛋白/DNA甲基化）[114, 118, 129–131]。請(qǐng)注意，所有這些輸入信號(hào)的作用都是緩慢的。

來自相鄰細(xì)胞的信號(hào)也影響命運(yùn)選擇，我用Notch通路來說明這一點(diǎn)——選擇它是因?yàn)樗趶木€蟲到哺乳動(dòng)物的長期記憶中起著關(guān)鍵作用[132–134]，并且因?yàn)樗c影響記憶處理的其他通路（如Wnt通路）存在“對(duì)話”[135]。想象一個(gè)祖細(xì)胞位于一個(gè)成熟神經(jīng)元旁邊，接觸刺激了該通路（圖5）。從膜受體（哺乳動(dòng)物中為Notch1-4）到細(xì)胞核的信號(hào)開啟命運(yùn)決定轉(zhuǎn)錄因子及相關(guān)表觀遺傳標(biāo)記的表達(dá)，從而觸發(fā)新膜蛋白的合成，以加強(qiáng)與鄰近細(xì)胞的接觸。由于信息流需要數(shù)分鐘時(shí)間，這對(duì)命運(yùn)鞏固很有用。

DNA：決定細(xì)胞命運(yùn)的納米線連接計(jì)算機(jī)/記憶系統(tǒng)

具有黑白像素的快速響應(yīng)（QR）碼提供了高密度存儲(chǔ)信息的方式；Navilens陣列通過添加彩色像素來增加容量，而3D陣列應(yīng)能進(jìn)一步增加容量（圖6A）。我們體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞中的染色體構(gòu)成了一種相關(guān)的3D記憶機(jī)制，確保適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)錄單元“共同連接與共同激活”（圖6B）。換句話說，染色體充當(dāng)納米線連接的計(jì)算機(jī)/記憶系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)任務(wù)是“記住”細(xì)胞命運(yùn)，并且——類比于記憶印跡（engram）——我將它的“記憶”痕跡稱為“轉(zhuǎn)錄記憶印跡”（transcriptional engrams, tengrams）。請(qǐng)注意，一個(gè)tengram存儲(chǔ)在一個(gè)細(xì)胞核的一組簇群中（而不是在一組細(xì)胞中）。那么，轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的一維基因組位置（高度保守[136, 137]）決定了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合和聚集的位置。熵力與DNA柔韌性相結(jié)合，隨后將基因組折疊成無數(shù)種可能的3D結(jié)構(gòu)中的一種，每種結(jié)構(gòu)編碼略有不同的成纖維細(xì)胞或神經(jīng)元命運(yùn)（可類比于指定超市中不同“烘焙食品”或“冷凍食品”的二維碼）。

這臺(tái)計(jì)算機(jī)可能使用什么邏輯符號(hào)，以及它們是如何被處理的？我推測它們的數(shù)量將多于遺傳密碼中的符號(hào)（包括A/C/G/T、三聯(lián)體/起始/終止密碼子、開放閱讀框、啟動(dòng)子），因?yàn)槲覀冞€應(yīng)加上代表轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)一維位置、二價(jià)/多價(jià)轉(zhuǎn)錄因子濃度及其親和力的符號(hào)（而這些又決定了簇群的顏色/數(shù)量/類型）。在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的算法還必須隨時(shí)間對(duì)符號(hào)進(jìn)行加、減和積分運(yùn)算，以產(chǎn)生晝夜節(jié)律。

特化的轉(zhuǎn)錄簇群與鈣信號(hào)傳導(dǎo)可能存在于最早期的細(xì)胞中

最早的神經(jīng)系統(tǒng)可能在輻射對(duì)稱的后生動(dòng)物（例如珊瑚、海綿）和兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物中獨(dú)立進(jìn)化了不止一次[138]——甚至可能在后生動(dòng)物出現(xiàn)之前就已經(jīng)出現(xiàn)[139]。它們可能使其水生宿主能夠吞噬食物（在珊瑚中）或向其移動(dòng)（在兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物中）[140, 141]。由于進(jìn)化常常修補(bǔ)已有的系統(tǒng)，那么當(dāng)時(shí)可能有哪些信息存儲(chǔ)/傳遞系統(tǒng)可用呢？

一個(gè)RNA世界可能早于基于DNA的LUCA（最后普遍共同祖先），所有細(xì)菌、古菌和后生動(dòng)物都源于此（圖7）[142]。系統(tǒng)發(fā)育比較表明，LUCA可能編碼了與我們今天所知的激酶、聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的分子[143]。由于耗盡吸引力和橋接誘導(dǎo)吸引力等熵過程貫穿時(shí)間始終，它們會(huì)驅(qū)動(dòng)最早的聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子形成簇群，并且——一旦不同的轉(zhuǎn)錄因子出現(xiàn)——就會(huì)形成專門轉(zhuǎn)錄不同基因組的特化簇群（Cook PR. 全基因組模型：8個(gè)常見問題。https://www.petercooklab.uk/pan-genomic-model/8-faqs，訪問于2026年3月9日）。因此，LUCA可能含有基于激酶的二價(jià)開關(guān)和不同顏色的簇群，使其能夠根據(jù)食物的可獲得性進(jìn)行生長或關(guān)閉。所謂的鈣工具包可能隨后進(jìn)化而來，因?yàn)樗嬖谟谏娜齻€(gè)域中（圖7）[139]。該工具包使鈣瞬變能夠在<1秒內(nèi)穿越細(xì)胞[43, 44, 144]。很久以后，當(dāng)使用突觸的最早神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化時(shí)，我推測大自然利用了這些經(jīng)過驗(yàn)證的存儲(chǔ)和信號(hào)模塊。當(dāng)然，還需要許多其他機(jī)制才能使此類神經(jīng)系統(tǒng)得以進(jìn)化（例如促進(jìn)囊泡運(yùn)輸、鈉離子流動(dòng)等的機(jī)制）[139]。

以轉(zhuǎn)錄為中心的記憶印跡觀

在此背景下，我將標(biāo)準(zhǔn)模型重述如下。我們的初始神經(jīng)元（圖8Ai）含有潛在的記憶印跡細(xì)胞，這些細(xì)胞可根據(jù)其轉(zhuǎn)錄簇群的類型進(jìn)行分類。在形成第一段記憶之前，自發(fā)性脈沖發(fā)放預(yù)先連接了具有相容表面分子（由相似簇群指定，此處為粉色）的神經(jīng)元。這些簇群存在于瓦丁頓景觀中的一個(gè)嘈雜過渡態(tài)中。重復(fù)的共同發(fā)放激活預(yù)先存在的即刻早期蛋白（如c-FOS），這些蛋白改變核內(nèi)轉(zhuǎn)錄（從而改變景觀），使包含粉色簇群的山谷略微加深。由此產(chǎn)生的初始赫布回路現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒（圖8Aii），可獲取其第一段記憶（可能是關(guān)于母親的記憶；圖8Aiii），該記憶將以"粉色"記憶印跡的形式存儲(chǔ)在這些網(wǎng)絡(luò)中最易訪問的部分（例如包含粉色簇群的網(wǎng)絡(luò)）。鞏固過程加強(qiáng)共同發(fā)放的突觸，增加樹突/樹突棘/納米管，并緩慢加深山谷（圖8Aiv）。隨后與母親相關(guān)的記憶被分配到這個(gè)粉色組，同時(shí)溢出以包含具有部分共享受體的新細(xì)胞（從而產(chǎn)生具有更深粉色色調(diào)的記憶印跡）。如果母親看到我們的生存受到威脅，她的尖叫聲如此響亮，以至于記憶被直接導(dǎo)入這些網(wǎng)絡(luò)之一，她希望我們采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)（回想實(shí)驗(yàn)室小鼠倉皇躲避的場景）。

現(xiàn)在記憶被穩(wěn)定下來：嘈雜的轉(zhuǎn)錄減少，粉色網(wǎng)絡(luò)分化（需要新的轉(zhuǎn)錄和翻譯）成為一個(gè)（紅色）網(wǎng)絡(luò)，其突觸連接足夠穩(wěn)定以持續(xù)一生（圖8Av）。與母親相關(guān)的其他記憶印跡將存儲(chǔ)在具有紅色混合簇群的細(xì)胞中。當(dāng)母親再次看到我們的生存受到威脅時(shí)，她的尖叫聲確保我們真正接收到信息，而這個(gè)紅色網(wǎng)絡(luò)的一部分現(xiàn)在存儲(chǔ)了一個(gè)看似遺傳的ingram（實(shí)際上是一種觸發(fā)"凍結(jié)"或"跑回家"反應(yīng)的習(xí)得性記憶）。不同顏色的記憶印跡存儲(chǔ)與母親無關(guān)的記憶（圖8B中的藍(lán)色）。

原則上，這種以轉(zhuǎn)錄為中心的觀點(diǎn)——它位于標(biāo)準(zhǔn)模型的核心——可以通過監(jiān)測新簇群是否隨著新記憶的獲得和喪失而出現(xiàn)和消失來驗(yàn)證。在實(shí)踐中，這因三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的原因而變得困難。首先，轉(zhuǎn)錄組學(xué)關(guān)注的是成熟mRNA，而非新生RNA。其次，新生mRNA僅代表新生轉(zhuǎn)錄本的少數(shù)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)是新生eRNA。第三，全基因組關(guān)聯(lián)研究表明，數(shù)千個(gè)基因座（主要編碼eRNA而非蛋白質(zhì)）控制細(xì)胞命運(yùn)（作者提交的手稿題為"轉(zhuǎn)錄簇群與發(fā)育通路：自然、養(yǎng)育、噪聲"）。因此，我們需要將關(guān)注點(diǎn)從少數(shù)mRNA擴(kuò)展到數(shù)千種新生非編碼RNA，以檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的這一變體。

推測：DNA計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)并操縱我們的神經(jīng)記憶

現(xiàn)在考慮對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)激進(jìn)補(bǔ)充：某些——或許全部——長期記憶是在指定細(xì)胞命運(yùn)的DNA計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和操縱的。想象有人問我們何時(shí)出生。盡管我們可能在很久以前花了數(shù)天或數(shù)周才學(xué)會(huì)這個(gè)答案，但我們可以在一秒內(nèi)做出回應(yīng)。因此，信息必須快速流經(jīng)我所說的兩個(gè)"缺失的環(huán)節(jié)"——在此情況下，即從一個(gè)突觸到包含我們出生日期的核內(nèi)轉(zhuǎn)錄記憶印跡（tengram），再從那里到適當(dāng)?shù)妮敵鐾挥|（圖9A）。我現(xiàn)在為每個(gè)環(huán)節(jié)提出合理的機(jī)制。

所有細(xì)胞（包括海馬神經(jīng)元）的核質(zhì)[145]都含有鈣工具包，因此伴隨去極化的鈣瞬變可以通過核孔或核內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在<1秒內(nèi)從細(xì)胞膜傳遞到核質(zhì)（圖9B，左）[45, 146, 147]。請(qǐng)注意，瞬變可以在神經(jīng)元中雙向傳播[148]，而且"核鈣信號(hào)對(duì)長期記憶形成的要求在從果蠅到哺乳動(dòng)物的進(jìn)化中是保守的"[43]。

轉(zhuǎn)錄記憶印跡（tengram）的獲取可能如下發(fā)生（圖9B，右）。在非神經(jīng)細(xì)胞中，相當(dāng)一部分RNA聚合酶II處于暫停狀態(tài)，因?yàn)橐粋€(gè)關(guān)鍵的延伸因子（P-TEFb）被隔離[149, 150]，而一個(gè)瞬變可以立即解除暫停（通過鈣調(diào)蛋白、PP2B/鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶、7SK snRNP和CDK9）[151, 152]。在神經(jīng)元細(xì)胞中，該回路中的另一個(gè)參與者——HEXIM1——隔離P-TEFb并調(diào)控即刻早期基因的轉(zhuǎn)錄[153]。因此，對(duì)于第一個(gè)缺失環(huán)節(jié)中的所有步驟都有充分的先例：瞬變快速改變轉(zhuǎn)錄，從而改變核內(nèi)簇群的模式（圖9B）。

考慮第二個(gè)缺失環(huán)節(jié)。當(dāng)一個(gè)有效延伸的RNA聚合酶II添加一個(gè)核苷酸時(shí)，隨著凈電荷變化?1，會(huì)釋放一個(gè)焦磷酸（PPi）（圖9Ci）。在此背景下重要的是，PPi是一種強(qiáng)大的鈣螯合劑（表觀解離常數(shù)Kd約1 μM，高度依賴于局部離子/電荷濃度）。它很快被裂解成兩個(gè)單磷酸鹽（產(chǎn)生更多電荷），電荷隨后被中和。由于人類RNA聚合酶II每秒添加約50個(gè)核苷酸，一個(gè)簇群每秒產(chǎn)生約500個(gè)PPi + 約500個(gè)負(fù)電荷（圖9Cii）。這些數(shù)字可能代表下限，因?yàn)榉巧a(chǎn)性酶會(huì)合成短暫的、即將終止的轉(zhuǎn)錄本，這些轉(zhuǎn)錄本使用大多數(shù)當(dāng)前方法無法檢測到（[154]；Cook PR 全基因組模型：8個(gè)常見問題 https://www.petercooklab.uk/pan-genomic-model/8-faqs，訪問于2026年3月9日）。此外，HeLa細(xì)胞中的rDNA簇群含有約500個(gè)活躍的聚合酶I酶[155, 156]，因此核仁簇群產(chǎn)生的數(shù)量要大得多。請(qǐng)注意，鈣誘導(dǎo)鈣調(diào)蛋白結(jié)合到DDX21解旋酶——該酶通常隔離聚合酶I的催化亞基（RPA194），因此游離酶可以進(jìn)行轉(zhuǎn)錄[157]。細(xì)胞核內(nèi)能否檢測到局部鈣濃度？值得注意的是，確實(shí)可以：鈣成像揭示了心肌細(xì)胞核中的離散焦點(diǎn)（Jakub Tomek，個(gè)人通訊），這些焦點(diǎn)讓人聯(lián)想到含有新生RNA的焦點(diǎn)[92]。此外，神經(jīng)元外部的局部電荷密度會(huì)影響神經(jīng)元內(nèi)的脈沖傳遞[158]，那么內(nèi)部密度是否也能如此呢？我提出該系統(tǒng)利用恰到好處的PPi濃度加上電荷來修飾（或破壞）瞬變的形狀（圖9Cii，右）[159]。因此，輸入脈沖序列（本質(zhì)上是一系列數(shù)字信號(hào)）產(chǎn)生一個(gè)被修飾的瞬變（一個(gè)模擬信號(hào)），后者反過來反饋以修改該序列（圖9D）。在此示例中，系統(tǒng)降低了波高。然而引人注目的是，心肌細(xì)胞核可以產(chǎn)生新的波；此外，在群體中的雙核細(xì)胞中，隨機(jī)模式的波產(chǎn)生可以穩(wěn)定為交替（振蕩）模式（Jakub Tomek，個(gè)人通訊）。這表明這些細(xì)胞核含有產(chǎn)生波所必需的反應(yīng)-擴(kuò)散機(jī)制（我推測該機(jī)制與簇群結(jié)合），并且不同的細(xì)胞核可以相互通訊。

現(xiàn)在想象該系統(tǒng)查詢某個(gè)特定的顆粒細(xì)胞是否包含我們的出生日期，該日期以較淺白色的簇群中的轉(zhuǎn)錄記憶印跡（tengram）形式書寫。那么，一個(gè)"查詢"去極化產(chǎn)生瞬變，這些瞬變穿過核質(zhì)，在那里被修飾以產(chǎn)生"響應(yīng)"（圖9E）。如果現(xiàn)在被問"我們?cè)谀睦锍錾?，可以想象這臺(tái)計(jì)算機(jī)以約10比特/秒的速度緩慢處理相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，長期和短期記憶都在我們大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的突觸處（通過囊泡運(yùn)輸）存儲(chǔ)和處理（圖10i和ii中的第一種可能性），或許還通過支持性的鈣基系統(tǒng)經(jīng)由間隙連接加上電連接星形膠質(zhì)細(xì)胞/膠質(zhì)細(xì)胞等的納米管進(jìn)行（圖10i，第二種可能性）。這種激進(jìn)觀點(diǎn)增加了第三個(gè)連接組，其中瞬變連接神經(jīng)元以及非神經(jīng)元細(xì)胞中的細(xì)胞核（圖10i，第三種可能性），并在突觸計(jì)算機(jī)之外增加了DNA計(jì)算機(jī)（圖10ii）。回想一下，最早的神經(jīng)系統(tǒng)利用基于鈣的信息傳遞，而基于囊泡的系統(tǒng)只是后來才進(jìn)化出來的（圖7）。

這種觀點(diǎn)提出了許多問題，例如：(i) 與突觸計(jì)算機(jī)相比（以及在神經(jīng)元細(xì)胞與非神經(jīng)元細(xì)胞之間），有多少持久記憶存儲(chǔ)在DNA計(jì)算機(jī)中？(ii) 連接組在網(wǎng)絡(luò)的不同層中如何變化，系統(tǒng)如何將查詢分配到不同的層？（關(guān)于大型語言模型中使用的層內(nèi)并行與流水線并行的優(yōu)缺點(diǎn)，參見[160]；關(guān)于相關(guān)調(diào)度，參見[161]。）(iii) 簇群是否含有鈣工具包，某些簇群能否同時(shí)作為鈣源和鈣匯（回想心肌細(xì)胞核產(chǎn)生新的振蕩波）？（關(guān)于從非神經(jīng)細(xì)胞中部分純化簇群并分析其內(nèi)容的方法，參見[162, 163]。）那么，鈣介導(dǎo)的反應(yīng)-擴(kuò)散可能允許一個(gè)DNA計(jì)算機(jī)內(nèi)不同簇群/地址之間的通訊。（關(guān)于鈣源/匯的隨機(jī)細(xì)胞質(zhì)分布如何促進(jìn)信號(hào)放大和滲透等涌現(xiàn)行為的方法，參見[164, 165]。）(iv) 不同DNA計(jì)算機(jī)之間的通訊為網(wǎng)絡(luò)帶來了哪些新行為？例如，系統(tǒng)能否利用振蕩計(jì)算的許多優(yōu)勢[166–168]，包括超低能耗運(yùn)行、大規(guī)模并行性、通過可變相位/頻率實(shí)現(xiàn)的豐富表征能力，以及噪聲魯棒性？

這種激進(jìn)觀點(diǎn)可以通過觀察轉(zhuǎn)錄抑制劑如何影響通過的瞬變和脈沖序列來檢驗(yàn)。然而，鑒于"所有細(xì)胞都使用鈣信號(hào)來響應(yīng)外在和內(nèi)在刺激以調(diào)節(jié)其活動(dòng)"[44]，區(qū)分鈣特異性效應(yīng)將不可避免地困難。

結(jié)論

許多人已經(jīng)探討了記憶如何持續(xù)數(shù)十年，而各種理由促使我加入這場眾聲喧嘩。首先，與其他細(xì)胞類型相比，腦細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄上高度活躍，并產(chǎn)生許多看似嘈雜的轉(zhuǎn)錄本。其次，存在兩種眾所周知的分子機(jī)制，能夠確保其他類型的記憶持續(xù)一生。一種涉及改變核酸序列，但目前沒有廣泛接受的證據(jù)表明我們?cè)谟洃浐瓦z忘時(shí)神經(jīng)元DNA或RNA會(huì)發(fā)生定向改變。另一種是成纖維細(xì)胞子代"記住"其細(xì)胞命運(yùn)的方式（圖2C），因此值得考慮是什么機(jī)制使這成為可能。第三，越來越多的證據(jù)支持一種關(guān)于轉(zhuǎn)錄的替代觀點(diǎn)，即RNA聚合酶簇群共同轉(zhuǎn)錄功能相關(guān)的基因以確定細(xì)胞命運(yùn)（圖3Aii）。換句話說，這些簇群是納米線連接的DNA計(jì)算機(jī)，使不同組的轉(zhuǎn)錄單元能夠"共同連接與共同激活"（圖6）。第四，驅(qū)動(dòng)簇群形成的力貫穿時(shí)間始終，因此簇群可能存在于最早的細(xì)胞中（圖7）。因此，我提出，當(dāng)最早的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化時(shí)，簇群會(huì)被檢驗(yàn)其作為記憶模塊的適用性。這些理由促使我強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)模型中以轉(zhuǎn)錄為中心的觀點(diǎn)，即簇群在記憶印跡生命周期的每個(gè)階段都發(fā)揮關(guān)鍵作用（圖8）：它們通過擁有相容的表面分子來定義哪些細(xì)胞被納入赫布回路，并通過緩慢的細(xì)胞"分化"和山谷加深為長期記憶的鞏固和存儲(chǔ)提供機(jī)制。長期記憶的處理將利用強(qiáng)化的突觸，算法在神經(jīng)細(xì)胞連接組的復(fù)雜交錯(cuò)中運(yùn)行[169, 170]。我還推測，指定細(xì)胞命運(yùn)的DNA計(jì)算機(jī)也可以將我們的記憶存儲(chǔ)為轉(zhuǎn)錄記憶印跡（tengrams）（圖9），不同類型計(jì)算機(jī)和連接組的交錯(cuò)提供了存儲(chǔ)和處理我們持久記憶所需的豐富復(fù)雜性（圖10）。

總之，我提出DNA穩(wěn)定地編碼三種信息。首先，堿基序列指定轉(zhuǎn)錄本序列，從而指定蛋白質(zhì)序列。其次，結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子自組裝成具有轉(zhuǎn)錄活性的簇群，決定細(xì)胞命運(yùn)和組織結(jié)構(gòu)。第三，我推測這些簇群還存儲(chǔ)并處理我們持久的記憶。

https://academic.oup.com/nar/article/54/8/gkag337/8663818