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紐約大學的研究人員提出了一個新的生物學假設：器官中可能存在一種共有的記憶機制。
玉保 | 撰文
李娟 | 編輯
2024年11月，紐約大學神經學家尼古拉·庫庫什金 (Nikolay Kukushkin) 團隊在《自然·通訊》發表了一篇腎臟細胞有“記憶“能力的論文。論文一經發表便引起了科學界的廣泛關注，因為這不僅顛覆了人們對於記憶的傳統認知，也為探索器官功能與神經科學的交叉領域提供了新思路。
調控神經元記錄資訊的核心蛋白質是CREB，對於神經元的生存、分化、突觸可塑性等不可或缺。它能調控其他參與記憶過程的基因，是形成長期記憶的關鍵基因。CREB和參與記憶的其他分子存在於神經元和非神經元細胞中。
庫庫什金團隊當初並不確定兩類細胞中的CREB是否以相同的方式發揮作用。研究人員將帶有熒光報告基因的CREB表達系統匯入腎細胞系中。根據熒光蛋白的發光強度，我們可以知道記憶基因CREB的啟用強度。
研究人員在實驗中發現，腎臟中的一些細胞具有類似於神經元的行為。腎細胞能形成記憶，至少從分子意義上來說是如此。這些細胞可以記錄並“記住”特定的生理狀態，例如與環境條件相關的刺激。研究人員透過培養腎臟細胞並施加不同的刺激，如化學分子和機械壓力，觀察它們的響應模式。透過熒光顯微鏡和電生理技術，發現部分腎臟細胞在受到刺激後，能夠改變其電訊號，並在一段時間內維持這一變化。
這表明腎臟細胞有類似神經元的“可塑性”，即在受到刺激後，其電訊號響應發生變化，並在刺激消失後維持一段時間。這種變化被認為是一種“細胞記憶”，可能記錄了腎臟的代謝狀態或與神經系統有資訊交換。實驗中腎臟細胞表現出了“集中間隔效應”，當生化訊號以脈衝的方式來刺激時，“記憶基因”如CREB的啟動強度和持續時間，比長時間暴露於生化訊號中更強烈。
這一發現首次證明腎臟細胞具備與記憶相關的基本能力。它提出了一個新的生物學假設：器官中可能存在一種共有的記憶機制。作者認為，這種記憶並不是幫助你學習三角函式、記住如何騎腳踏車或你的童年記憶。這項研究擴充了記憶的概念，沒有挑戰現有的記憶概念。
長期以來，科學家們將記憶功能視為大腦的核心屬性。無論是短期記憶還是長期記憶，均由大腦中的神經元網路透過複雜的電訊號和化學反應維持。隨著細胞生物學和系統科學的進展，越來越多的證據表明，大腦並非唯一可以處理複雜資訊的器官。庫庫什金在回應媒體採訪時說，“傳統觀念認為，學習和記憶主要與大腦和腦細胞相關，但我們的研究結果表明，身體的其他細胞也能學習和形成記憶”。
細胞間通訊具有多樣性。多項研究表明，不同器官中的細胞能夠透過特定的訊號分子相互交流。例如，免疫細胞能夠“記住”病原體的特徵，這種記憶是疫苗效果和免疫治療的基礎。
機體各個器官並非孤立地發揮生理作用。神經-內分泌-免疫網路的研究揭示了大腦、內臟器官和免疫系統之間有著密切的協作關係。因此一些科學家發問：大腦之外其它器官是否有類似記憶的功能？腎臟這一關鍵的代謝器官成為研究的焦點之一。
該研究為腎臟細胞的記憶能力提供了直接證據，但其背後的生物學機制仍需要研究。目前，研究者提出了以下幾種可能的解釋。
1. 離子通道的作用：腎臟細胞中豐富的離子通道可能是“記憶”形成的關鍵。類似於神經元，這些離子通道能夠透過調節鈣離子、鈉離子和鉀離子的流動，在細胞膜上造成電訊號的變化，並維持一段時間。
2. 訊號分子的儲存：腎臟細胞可能透過特定的訊號分子（如酶或蛋白質）的濃度變化，記錄下環境刺激的資訊。例如，刺激後訊號分子可能以化學鍵的形式儲存資訊，並透過代謝過程逐步釋放。
3. 細胞間通訊網路：腎臟細胞之間可能形成了類似神經網路的通訊結構，透過釋放和接收化學訊號，共同完成資訊的儲存與處理。
4. 表觀遺傳學的可能性：某些腎臟細胞在刺激後可能發生表觀遺傳修飾的變化，例如DNA甲基化或組蛋白修飾。這種變化能夠在基因表達水平上記錄外界刺激。
如果腎臟細胞的記憶機制可以被精確調控，未來可能為腎臟疾病（如慢性腎病和急性腎損傷）的治療提供全新途徑。透過“重置”腎臟細胞的記憶，有望提高移植腎臟在新宿主中的適應能力。
另外，這一發現將促進對器官功能協作的深入研究。科學家可能會找到更多的非神經器官具備記憶或複雜資訊處理能力的證據。這將加深我們對神經-內分泌-免疫網路的理解，有助於研發出整合性的診療方案。
這一研究也為仿生學提供了新靈感，可以透過模擬腎臟細胞的記憶機制，設計出更高效的資訊處理模型。生物工程結合人工智慧，利用這些生物學原理，可以開發具有自適應功能的醫療裝置。
儘管這一發現具有重要意義，但仍有許多問題有待解決。
首先是記憶功能的生物學邊界。腎臟細胞的記憶功能是否僅限於某些特定細胞中？它們是否像神經元一樣具有長期記憶能力？此類現象是否普遍存在於其他非神經器官中？
其次是與神經系統的關係。腎臟細胞的記憶是否依賴於神經系統的輸入？或者說，它們是否可以獨立完成資訊處理？這一發現是否意味著大腦之外的器官也具有感知和學習能力？
目前，實驗技術尚難以高解析度觀察腎臟細胞的分子變化，進一步研究需要開發更精細的成像和測量技術。此外，如果未來可以人為增強或修改器官的記憶能力，可能帶來倫理和安全問題。例如，這一技術可能被濫用於生物增強領域。
腎臟細胞“記憶”能力的發現，不僅挑戰了“記憶專屬於大腦”的傳統觀點，還為理解器官功能的複雜性開闢了新的領域。科學的魅力在於打破常規，後續的研究將證明，神經科學的邊界是否將繼續得到拓展。
參考文獻：
Kukushkin, N.V., Carney, R.E., Tabassum, T.et al. The massed-spaced learning effect in non-neural human cells. Nat Commun 15, 9635 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53922-x
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