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纽约大学的研究人员提出了一个新的生物学假设：器官中可能存在一种共有的记忆机制。
玉保 | 撰文
2024年11月，纽约大学神经学家尼古拉·库库什金 (Nikolay Kukushkin) 团队在《自然·通讯》发表了一篇肾脏细胞有“记忆“能力的论文。论文一经发表便引起了科学界的广泛关注，因为这不仅颠覆了人们对于记忆的传统认知，也为探索器官功能与神经科学的交叉领域提供了新思路。调控神经元记录信息的核心蛋白质是CREB，对于神经元的生存、分化、突触可塑性等不可或缺。它能调控其他参与记忆过程的基因，是形成长期记忆的关键基因。CREB和参与记忆的其他分子存在于神经元和非神经元细胞中。库库什金团队当初并不确定两类细胞中的CREB是否以相同的方式发挥作用。研究人员将带有荧光报告基因的CREB表达系统导入肾细胞系中。根据荧光蛋白的发光强度，我们可以知道记忆基因CREB的激活强度。研究人员在实验中发现，肾脏中的一些细胞具有类似于神经元的行为。肾细胞能形成记忆，至少从分子意义上来说是如此。这些细胞可以记录并“记住”特定的生理状态，例如与环境条件相关的刺激。研究人员通过培养肾脏细胞并施加不同的刺激，如化学分子和机械压力，观察它们的响应模式。通过荧光显微镜和电生理技术，发现部分肾脏细胞在受到刺激后，能够改变其电信号，并在一段时间内维持这一变化。这表明肾脏细胞有类似神经元的“可塑性”，即在受到刺激后，其电信号响应发生变化，并在刺激消失后维持一段时间。这种变化被认为是一种“细胞记忆”，可能记录了肾脏的代谢状态或与神经系统有信息交换。实验中肾脏细胞表现出了“集中间隔效应”，当生化信号以脉冲的方式来刺激时，“记忆基因”如CREB的启动强度和持续时间，比长时间暴露于生化信号中更强烈。这一发现首次证明肾脏细胞具备与记忆相关的基本能力。它提出了一个新的生物学假设：器官中可能存在一种共有的记忆机制。作者认为，这种记忆并不是帮助你学习三角函数、记住如何骑自行车或你的童年记忆。这项研究扩充了记忆的概念，没有挑战现有的记忆概念。器官功能的传统认知长期以来，科学家们将记忆功能视为大脑的核心属性。无论是短期记忆还是长期记忆，均由大脑中的神经元网络通过复杂的电信号和化学反应维持。随着细胞生物学和系统科学的进展，越来越多的证据表明，大脑并非唯一可以处理复杂信息的器官。库库什金在回应媒体采访时说，“传统观念认为，学习和记忆主要与大脑和脑细胞相关，但我们的研究结果表明，身体的其他细胞也能学习和形成记忆”。细胞间通信具有多样性。多项研究表明，不同器官中的细胞能够通过特定的信号分子相互交流。例如，免疫细胞能够“记住”病原体的特征，这种记忆是疫苗效果和免疫治疗的基础。
机体各个器官并非孤立地发挥生理作用。神经-内分泌-免疫网络的研究揭示了大脑、内脏器官和免疫系统之间有着密切的协作关系。因此一些科学家发问：大脑之外其它器官是否有类似记忆的功能？肾脏这一关键的代谢器官成为研究的焦点之一。
该研究为肾脏细胞的记忆能力提供了直接证据，但其背后的生物学机制仍需要研究。目前，研究者提出了以下几种可能的解释。1. 离子通道的作用：肾脏细胞中丰富的离子通道可能是“记忆”形成的关键。类似于神经元，这些离子通道能够通过调节钙离子、钠离子和钾离子的流动，在细胞膜上造成电信号的变化，并维持一段时间。
2. 信号分子的存储：肾脏细胞可能通过特定的信号分子（如酶或蛋白质）的浓度变化，记录下环境刺激的信息。例如，刺激后信号分子可能以化学键的形式储存信息，并通过代谢过程逐步释放。
3. 细胞间通信网络：肾脏细胞之间可能形成了类似神经网络的通信结构，通过释放和接收化学信号，共同完成信息的存储与处理。
4. 表观遗传学的可能性：某些肾脏细胞在刺激后可能发生表观遗传修饰的变化，例如DNA甲基化或组蛋白修饰。这种变化能够在基因表达水平上记录外界刺激。
如果肾脏细胞的记忆机制可以被精确调控，未来可能为肾脏疾病（如慢性肾病和急性肾损伤）的治疗提供全新途径。通过“重置”肾脏细胞的记忆，有望提高移植肾脏在新宿主中的适应能力。另外，这一发现将促进对器官功能协作的深入研究。科学家可能会找到更多的非神经器官具备记忆或复杂信息处理能力的证据。这将加深我们对神经-内分泌-免疫网络的理解，有助于研发出整合性的诊疗方案。
这一研究也为仿生学提供了新灵感，可以通过模拟肾脏细胞的记忆机制，设计出更高效的信息处理模型。生物工程结合人工智能，利用这些生物学原理，可以开发具有自适应功能的医疗设备。
尽管这一发现具有重要意义，但仍有许多问题有待解决。首先是记忆功能的生物学边界。肾脏细胞的记忆功能是否仅限于某些特定细胞中？它们是否像神经元一样具有长期记忆能力？此类现象是否普遍存在于其他非神经器官中？其次是与神经系统的关系。肾脏细胞的记忆是否依赖于神经系统的输入？或者说，它们是否可以独立完成信息处理？这一发现是否意味着大脑之外的器官也具有感知和学习能力？
目前，实验技术尚难以高分辨率观察肾脏细胞的分子变化，进一步研究需要开发更精细的成像和测量技术。此外，如果未来可以人为增强或修改器官的记忆能力，可能带来伦理和安全问题。例如，这一技术可能被滥用于生物增强领域。
肾脏细胞“记忆”能力的发现，不仅挑战了“记忆专属于大脑”的传统观点，还为理解器官功能的复杂性开辟了新的领域。科学的魅力在于打破常规，后续的研究将证明，神经科学的边界是否将继续得到拓展。
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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