1985年，在对调控基因表达的蛋白质进行了几个月的思索之后，我终于开始把自己从这一夜科学中获得的洞见运用到了研究基因表达和长时记忆的日科学中。这一想法在菲利普·戈莱特来到哥大后变得更加清晰了。戈莱特是跟随西德尼·布伦纳在英国剑桥的医学研究委员会实验室接受训练的博士后学生。我们共同做出了如下推理：要形成长时记忆，新信息需要得到编码，进而巩固成更持久的存储。长时记忆需要生成新的突触连接这一发现，让我们对这一更持久的存储形式获得了一些洞见。但我们仍然不知道这中间的分子遗传学步骤—记忆巩固的本质。一个稍纵即逝的短时记忆是如何转化为经年累月的长时记忆的？
在雅各布–莫诺模型中，来自细胞外部环境的信号激活基因调控蛋白，后者打开编码特定蛋白质的基因。这让戈莱特和我想到，在敏感化形成长时记忆的关键步骤中，是否有类似的信号和基因调控蛋白的参与。我们在想，形成敏感化所需的重复学习序列之所以重要，可能在于它们发送信号到细胞核，告知细胞核激活调控基因，后者编码调控蛋白进而打开新突触连接生长所需的效应基因。如果是这样，那么记忆的巩固阶段可能就是中间步骤，在此期间调控蛋白打开了效应基因。我们的想法为一个发现提供了遗传学解释，这一发现是，在学习期间及随后，也即在关键期阻断新蛋白质的合成会阻断新突触连接的生长以及短时记忆向长时记忆的转化。我们推测，在阻断蛋白质合成时，我们实际上阻止了开启蛋白质合成的基因的表达，而蛋白质合成正是突触生长和长时记忆存储所必需的。
我们在1986年发表于《自然》的概念性综述《长时记忆的长与短》中总结了我们的观点。在这篇论文中我们提出，如果基因表达是一个突触上的短时记忆转化为长时记忆所必需的，那么被学习所刺激的突触必须以某种方式发送信号到细胞核，来告诉细胞核打开某种调控基因。在短时记忆中，突触使用细胞内的环腺苷酸和蛋白激酶 A 来增强神经递质的释放。戈莱特和我假设在长时记忆中，这种激酶从突触转移到了细胞核，在那里它以某种方式激活了对基因表达进行调控的蛋白质。
为了检验我们的假设，我们需要鉴定出突触发送给细胞核的信号，找出该信号激活的调控基因，然后鉴定出该调控子（也就是导致长时记忆存储中的新突触生长的基因）打开的效应基因。
我们已经在组织培养中创建的简化神经环路—单个感觉神经元与单个运动神经元相连—给我们提供了一个可以用来检验这些想法的完整生物系统。在我们的培养皿中，血清素扮演了敏感化引发的警觉信号。一次脉冲—等价于一次电击、一个训练试次—让细胞警觉到这个刺激是短暂的影响，而五次脉冲—等价于五个训练试次—意味着一个影响持久的刺激。我们发现，向感觉神经元注入高浓度的环腺苷酸，导致的不仅是突触强度的短时增加，还会导致长时增加。现在我们与加州大学圣迭戈分校的钱永健①合作，他开发的一种方法使得神经元中的环腺苷酸和蛋白激酶 A 的位置可视化。我们发现，血清素的单次脉冲主要增加了突触中的环腺苷酸和蛋白激酶 A，而血清素的重复脉冲则产生了更高浓度的环腺苷酸，导致蛋白激酶 A 移动到细胞核并在那里激活基因。后续研究发现，蛋白激酶 A 招募了另外一种称作 MAP 的激酶，后者也与突触生长有关，同样会移动到细胞核。因此我们确证了之前的想法，即“熟能生巧”的重复敏感化训练的功能之一，是让适当的信号以激酶形式移动到细胞核。
一旦进入了细胞核，这些激酶会做什么？我们从最近发表的关于非神经元细胞的研究中知道，蛋白激酶 A 能够激活一种称作 CREB（环腺苷酸反应元件结合蛋白）的调控蛋白，它会与一个启动子（即环腺苷酸反应元件）结合。这表明 CREB 可能是将突触连接的短时程易化转成长时程易化并生出新连接的开关的关键成分。
1990年，另外两位博士后学生普拉莫德·戴什和本杰明·霍奇纳也加入了我们的团队，我们在海兔的感觉神经元中发现了 CREB，它确实是敏感化中的突触连接的长时程增强所必需的。通过在培养基中阻断感觉神经元细胞核内的 CREB 发挥作用，我们就阻止了这些突触连接的长时增强，而并没有阻止它们的短时增强。这是一个惊人的发现：阻断这一个调控蛋白就阻止了长时突触变化的全过程！富有创造力且技术过硬的优秀博士后研究员杜尚·巴奇后来发现，仅仅是向感觉神经元的细胞核注入被蛋白激酶 A 磷酸化的 CREB，就足以打开导致突触连接长时程易化的基因。
于是，即便长期以来我受到的教育都是说大脑的基因是行为的统帅、我们命运的唯一主宰，但我们的工作却表明，脑中的基因和细菌中的一样，都是环境的仆人。受到外部世界的事件引导。一个环境刺激—对动物尾部的电击—激活调节性中间神经元释放血清素。血清素作用于感觉神经元，增加环腺苷酸并使得蛋白激酶 A 和 MAP 激酶移动到细胞核激活 CREB。CREB 的激活又导致了基因表达，改变了细胞的功能和结构。
1995年，巴奇发现实际上存在两种形式的 CREB 蛋白，正如雅各布和莫诺的模型所预测的：一种激活基因表达（CREB-1），另一种抑制基因表达（CREB-2）。重复的刺激使得蛋白激酶 A 和 MAP 激酶移动到细胞核，在这里蛋白激酶 A 激活 CREB-1、MAP 激酶使 CREB-2失活。因此，突触连接的长时程易化不仅需要打开一些基因，还需要关闭另外一些基因（图19-1）。
图19-1 短时和长时程易化的分子机制。
在实验室做出了这些令人兴奋的发现后，有两点让我震撼。第一，我们看到基因调控的雅各布–莫诺模型适用于记忆存储过程。第二，我们看到谢林顿发现的神经元的整合活动在细胞核水平发生了。我对下述平行过程感到惊讶：在细胞水平，兴奋性和抑制性突触信号在神经细胞中聚集；在分子水平，一种 CREB 调控蛋白促进了基因表达而另一种抑制了它。两种 CREB 调控蛋白将相反的作用整合在一起。
实际上，两种 CREB 彼此对抗的调控作用为记忆存储提供了一个阈限，确保只有重要的、对生活有帮助的经验得到学习。对海兔而言，对尾部的重复电击是一个重要的学习经验，正如对我们而言，练习弹钢琴或法语的共轭动词很重要一样：熟能生巧，重复是长时记忆所必需的。不过原则上说，一个高度情绪化的状态，比如车祸引发的状态，也能够绕开常规限制进入长时记忆。在这种情况下，大量的 MAP 激酶分子会被足够快速地运送到细胞核，让所有的 CREB-2分子失活，使得蛋白激酶 A 更容易激活 CREB-1并将这一经验直接转入长时记忆。这可能是所谓闪光灯记忆的原理，它让人栩栩如生地回忆起充满情绪性记忆的事件—比如我与米琪的性体验—就像一幅完整的画面迅速且强力地刻入了脑海中。
类似地，有些人展现出的超人记忆力可能源于 CREB-2的基因差异，这种差异限制了与 CREB-1相关的这种阻遏蛋白的活力。虽然长时记忆通常需要重复，需要在训练间隔中插入休息，但有时它只需要一次训练就会发生，而且不是由于情绪所致。著名俄国记忆师 S.V.舍雷舍夫斯基就非常擅长单试次学习，他似乎从来不会忘记他通过仅仅一次训练习得的任何事情，即便是在10年之后。通常，记忆师拥有的能力限制颇多：他们可能只对某几种知识具有超人的记忆力。有些人对视觉表象、乐谱、国际象棋、诗歌或面孔有着惊人的记忆力。一些来自波兰的《塔木德》记忆师能通过视觉记忆回忆出12卷的巴比伦版《塔木德》每一页上的每一个单词，犹如（从数千页中）翻出的那一页就摆在他们眼前。
相反，年龄增长带来的失忆（良性老年性健忘症）的特征则是无法巩固长时记忆。老化带来的这一缺陷，可能不仅反映了激活 CREB-1能力的下降，还反映了没有足够的信号来消除记忆巩固时 CREB-2所起的抑制作用。
和短时记忆的细胞机制一样，作为长时记忆开关的 CREB，被证明在若干种动物中都一样，这表明它在进化过程中是保守的。1993年，位于纽约长岛的冷泉港实验室的行为遗传学家蒂姆·塔利设计了一种优雅的实验方法，用来测试果蝇习得性恐惧的长时记忆。1995年，塔利与分子遗传学家殷起平联手，他们发现 CREB 蛋白是果蝇的长时记忆所必需的。和在海兔中一样，CREB 激活蛋白和阻遏蛋白扮演了关键角色。CREB 阻遏蛋白阻断短时记忆转化为长时记忆。更引人注意的是，他们用基因突变技术培养出了一种果蝇，能生成更多 CREB 激活蛋白的拷贝，形成类似闪光灯记忆的效果。在正常果蝇中，一种特殊气味与电击配对几次只会产生对这种气味的短时恐惧记忆，但在对突变体果蝇进行实验时，同样次数的配对导致了长时恐惧记忆。后来我们逐渐意识到，同样的 CREB 开关对从蜜蜂到小鼠到人类的其他物种的多种形式的内隐记忆都很重要。
由此，通过将行为学分析先是与细胞神经科学、接着又与分子生物学结合，我们共同奠定了基本心理过程的分子生物学基础。
将短时记忆转化为长时记忆的开关在各种学习简单任务的简单动物中都是一样的，这一事实令人振奋，确证了我们认为记忆存储的核心机制在不同物种中是保守的这一信念。但它给神经元的细胞生物学提出了一个值得注意的问题。单个感觉神经元有1200个突触终端并与25个靶细胞进行联系：鳃运动神经元、虹吸管运动神经元、喷墨运动神经元以及兴奋性和抑制性中间神经元。我们已经发现，短时变化只发生于其中的部分突触。这是有意义的，因为一次尾部电击或一次血清素脉冲只在局部特定的一些突触增加了环腺苷酸的量。但长时突触变化需要基因转录，这发生在细胞核并导致了新蛋白质的合成。有人会期待新合成的蛋白质被运送到所有的神经元突触终端。那么，除非细胞中存在一些特殊机制来限制特定突触的变化，不然所有的神经元突触终端都会受到长时程易化的影响。如果真的是这样，则每个长时变化都会存储在神经元的所有突触中。这就造成了一个悖论：长时学习和记忆过程怎样才能局限在特定突触中呢？
戈莱特和我认真思考了这一问题，并在我们1986年发表于《自然》的综述中提出了一个方案，这个方案后来被称作“突触标记”。我们假设短时记忆引起的一个给定突触的短暂修饰会以某种方式在那个突触上做出标记。这些标记使得突触可以识别蛋白质并将其留在这里。
细胞如何把蛋白质运送到特定突触？这个问题由凯尔西·马丁来解决再合适不过，她是一个极具天赋的细胞生物学家，在耶鲁获得了医学和哲学双博士学位。她曾就读于哈佛学院，毕业后和丈夫一起加入了和平队并赴非洲工作。当他们来到哥大时，已经有了一个儿子，名叫本。她在我们实验室时，又添了一个女儿，名叫玛雅。凯尔西在我们实验室是一个特别的存在，她不仅具备一流的科研能力和技术，而且她每天下午4点到6点都会把我们小小的会议室兼午餐间变成天才儿童的欢乐幼儿园，振奋我们所有人的精神。
将蛋白激酶 A 追踪到细胞核和发现细胞核中的 CREB 调控蛋白这两项成就，使我们的关注点沿着一条分子通路，从突触来到了细胞核。现在我们必须再沿着原路走回去。凯尔西和我需要探索的是，在单个感觉细胞中受到刺激因而正在发生长时结构性变化的突触与未受到刺激的突触有何区别。我们开发了一个优雅的新细胞培养系统来进行此项研究。
我们培养了一个具有分枝轴突的感觉神经元，它与两个独立运动神经元分别形成突触连接。像以前那样，我们通过施加血清素脉冲来模拟行为训练，只不过现在我们会选择性地把它们施加到其中一个或者另外一个突触连接上。正如我们所料，向一个突触施加单次血清素脉冲只会在这个突触中引发短时程易化。然而向一个突触中施加5次血清素脉冲则会引发受刺激突触的长时程易化和新突触终端的生长。这个结果令人惊讶，因为长时程易化和生长需要 CREB 激活基因，这一过程发生在细胞核内，理论上应该会影响这个细胞的所有突触。当凯尔西阻断细胞核中 CREB 的活动后，受刺激突触的易化和生长就都受到了抑制（图19-2）。
图19-2 研究血清素在突触变化中的作用的系统。一个具有分枝轴突的感觉神经元（上图中的 SN）与两个运动神经元（MN）形成突触连接。只施加血清素到其中一个突触。只有这个突触发生了短时和长时变化。（承蒙凯尔西·马丁惠允）
这一发现让我们对脑的计算能力刮目相看。它表明即使一个神经元会与不同靶细胞形成上千个突触连接，单个突触还是能够在长时记忆及短时记忆中独立受到修饰。突触长时作用的独立性赋予了神经元非凡的计算灵活性。
这一惊人的选择性背后的原理是什么呢？我们考虑了两种可能：是神经元只向被标记了用于长时记忆存储的突触运送信使 RNA 和蛋白质？还是信使 RNA 和蛋白质被运送到了神经元的所有突触，但只有被标记的突触能够利用它们进行生长？我们首先开始检验第二个假设，因为它很容易探索。
“突触标记”是怎么成为可能的呢？凯尔西发现有两个事件必然会在被标记的突触中发生。第一件事是蛋白激酶 A 的激活。如果蛋白激酶 A 没有在这个突触中激活，就不会有易化发生。第二件事是调控局部蛋白质合成的装置的激活。这是一个非常令人惊讶的发现，它使我们把目光重新投向了神经细胞生物学中一个迷人的领域，在此之前该领域尚未得到过充分重视，因而在很大程度上被忽略了。20世纪80年代早期，现在任教于加州大学尔湾分校的奥斯瓦德·斯图尔德发现，虽然大部分蛋白质合成发生在神经元的胞体中，但突触本身也会在局部合成一些蛋白质。
现在我们的研究发现，局部蛋白质合成的一个功能是维持突触连接的长时增强。当我们抑制了一个突触的局部蛋白质合成后，借助从胞体运送到突触的蛋白质，长时程易化过程仍会开启，也会长出新的终端。不过这一新生长只能维持一天左右。因此，胞体合成并运送到终端的蛋白质足以开启突触生长，但要想维持这一生长，局部的蛋白质合成是必需的（图19-3）。
图19-3 长时变化的两种机制。新蛋白质运送到所有的突触（上图），但只有受到血清素刺激的突触利用它们来开启新轴突终端的生长。维持这一通过基因表达开启的生长则需要局部的蛋白质合成（下图）。
这些发现增进了我们对长时记忆的认识。它们表明有两种独立的机制在运作。一种机制通过运送蛋白激酶 A 到细胞核中激活 CREB，打开了编码新突触连接生长所需的蛋白质的效应子，开启了突触易化。另一种机制通过维持新生成的突触终端来让记忆永久存储，它需要局部的蛋白质合成。由此我们认识到，开启和维持是两个独立的过程。那第二个机制是如何运作的呢？
就在这个时候，1999年，一位极具原创性、做事有效率的科学家考斯克·司加入了我们的实验室。考斯克来自印度的一个小城，他的父亲是当地的高中老师。当考斯克的父亲意识到考斯克对生物学感兴趣时，他请了一位同事、当地的生物老师来指导他的孩子。这位生物老师教给考斯克很多知识并让他对遗传机制产生了兴趣。这位老师还鼓励考斯克去美国读生物学研究生，这使得他最终来到哥大，成了我的博士后。
考斯克读博士时研究的是酵母的蛋白质合成，来到哥大后，他开始思考海兔的局部蛋白质合成这一问题。我们知道信使 RNA 分子在细胞核中被合成，并在特定突触被翻译成蛋白质。于是问题是这样的：信使 RNA 被运送到终端时是处于激活状态下的吗？还是说它是以休眠态运送的，像睡美人那样，在被标记的突触中等待白马王子（某种分子）的亲吻？
考斯克青睐睡美人假说。他认为休眠的信使 RNA 分子只有在到达一个合适的被标记突触并遇到一个特定信号后才会激活。他指出在青蛙的发育中存在着与此类似的调控现象。当蛙卵受精并成熟后，休眠的信使 RNA 分子被一种调控局部蛋白质合成的新蛋白质唤醒并激活。这种蛋白质叫作 CPEB（胞质型多聚腺苷酸化原件结合蛋白）。
随着我们在记忆分子机制的迷宫中探索的深入，考斯克发现海兔体内的一种新型 CPEB 正是我们寻找的白马王子。这个分子只在神经系统中出现，存在于神经元的所有突触中，能被血清素激活，是被激活的突触维持蛋白质合成和新突触终端的生长所必需的。但考斯克的发现仅仅把问题向前推了一步。大部分蛋白质在数小时内都会降解消失。靠什么来维持更长时间的突触生长呢？是什么让我对米琪的记忆保持了一生？
当考斯克仔细检查这种新 CPEB 的氨基酸序列时，他注意到一种很不寻常的情况。这种蛋白质的一个末端具有朊病毒的全部特征。
朊病毒可能是现代生物学中已知最怪异的蛋白质，最初是由加州大学旧金山分校的斯坦利·普鲁西纳发现的。它们是若干谜团未解的神经退行性疾病的致病因子，比如家畜的疯牛病（牛脑海绵状病）和人类的克雅二氏病（这种病在2002年夺走了欧文·库普费尔曼的宝贵生命，当时正值其科学事业的全盛时期）。朊病毒与其他蛋白质的不同之处是，它们能够折叠成两种不同的功能性形状，或曰构象。其中一种是显性的，另一种是隐性的。编码朊病毒的基因产生并不致病的隐性构象，但隐性构象能够转化为显性构象：这一过程可能是随机发生的，欧文的情况似乎就是这种；也可能是因为吃的食物里含有这种蛋白质的显性构象。在显性构象时，朊病毒能够导致其他细胞死亡。朊病毒不同于其他蛋白质的第二点在于其显性构象可以不断自行复制，它还使得隐性构象改变其形状，变成可以不断自行复制的显性构象（图19-4）。
图19-4 长时记忆和类似朊病毒的 CPEB 蛋白。作为之前刺激的结果，感觉神经元的细胞核把休眠的信使 RNA（mRNA）运送到所有的轴突终端（1）。血清素的5次脉冲将所有终端中都存在的类似朊病毒的一种蛋白质（CPEB）在受刺激终端转化为不断自行复制的显性构象（2）。显性 CPEB 能够把隐性 CPEB 转为显性构象（3）。显性 CPEB 激活休眠的信使 RNA（4）。激活的信使 RNA 调控新突触终端的蛋白质合成，使新突触稳固，让记忆永存。
我记得那是2001年春天，纽约的一个美妙午后，我办公室窗外的哈德逊河上波光粼粼，这时考斯克走进来问道：“如果我告诉你 CPEB 的性质和朊病毒很类似，你会怎么说？”
这是一个疯狂的想法！但如果它是真的，就解释了长时记忆如何得以在突触中无限期地保持，即便一般的蛋白质都已经降解了。显然，一个自行复制的分子能够在突触中无限期地持续，调控局部蛋白质的合成以维持新突触终端的生长。
在那些反复思考长时记忆的深夜里，朊病毒可能以某种方式参与长时记忆存储这一念头曾在我的脑海中一闪而过。而且我对普鲁西纳有关朊病毒及其疾病的突破性工作是熟悉的，他因这些贡献获得了1997年的诺贝尔生理学或医学奖。因此，尽管我从未预料到这种新型 CPEB 可能是朊病毒，当考斯克提出这一想法时，我立刻就觉得这是个很值得探索的思路。
朊病毒是酵母研究中的一个主要领域，但之前还没有人鉴定出它们的正常功能，直到考斯克在神经元中发现了这种新型 CPEB。因此，他的发现不仅为学习与记忆提供了深入的新洞见，而且还开辟了生物学的新天地。很快我们发现在缩鳃反射的感觉神经元中，CPEB 从无活性、不繁殖状态向活性、繁殖状态的转化，是由血清素控制的，而这种递质正是短时记忆转化为长时记忆所必需的（图19-4）。通过它的不断自行复制，CPEB 维持了局部蛋白质的合成。而且，这一自行复制状态很难逆转。
以上两个特征让这一新发现的朊病毒变种成为记忆存储的理想工具。考斯克发现，蛋白质的不断自行复制对局部蛋白质的合成至关重要，它使得信息被选择性和永久性地存储在某个突触，而不存储在神经元与其靶细胞形成的许多其他突触中。
除了发现这种朊病毒与记忆保持甚至与脑功能相关，考斯克和我还新发现了朊病毒的两个生物学特征。第一，血清素这一常规的生理信号对 CPEB 从一种构象转为另一种构象至关重要。第二，CPEB 的显性构象是已知的首个服务于一项生理功能的朊病毒，具体来说是维持突触易化和记忆存储。而在之前研究过的所有其他情况中，这一不断自我复制的构象要么通过杀死神经细胞导致疾病和死亡，要么没有活性（这种情况较为少见）。
我们相信考斯克的发现可能只是一个新的生物学领域的冰山一角。原则上说，这一机制—激活一个蛋白质的非遗传性、不断自行复制的功能—应该在许多其他生物学环境中也起作用，包括发育和基因转录。
我们实验室这一激动人心的发现表明，基础科学也能够像一本优秀的悬疑小说那样充满出人意料的曲折情节：一些惊人的新机制潜藏在生命的某个未知角落，直到后来才被发现具有广泛的重要性。这一特殊发现的不寻常之处在于，构成一组奇怪的脑疾病基础的分子机制同时也是长时记忆的基础，而后者是健康大脑的一个基本功能。通常而言，是基础生物学增进了我们对疾病的认识，而不是反过来。
总结起来，关于长时敏感化的研究和类朊病毒机制的发现，让我们得出了三个新原理，它们不只适用于海兔，也适用于包括人类在内的所有动物的记忆存储。第一，激活长时记忆需要基因的打开。第二，什么经验能被存储到记忆中是受到生物学限制的。要想打开激活长时记忆的基因，CREB-1蛋白必须被激活而 CREB-2蛋白必须失去活性，因为后者会抑制增强记忆的基因。由于人们不会记得他们学过的所有事情—也没有人想全都记得—因此编码阻遏蛋白的基因为短时记忆向长时记忆的转化设定了一个高阈值。这样一来我们就只会长期记得某些事件和经验。大部分事情我们很快就忘记了。去除这一生物学限制会导致向长时记忆的转化。CREB-1激活的基因是新突触生长所必需的。要想形成长时记忆，相关基因必须被打开，这一事实清楚地表明，不能简单地认为基因是行为的决定者，它还受到环境刺激（比如学习）的影响。
第三，新突触终端的生长和维持让记忆得以持续。因此，如果你能记得本书中的任何内容，那是因为在读过之后你的大脑变得有点不同了。借由经验生成新突触连接这一能力，似乎在进化过程中是保守的。举个例子，在人类中，和在更简单的动物中一样，由于来自感觉通路的输入信息在持续变化，皮层中反映身体表面的图谱也会相应地不断受到修饰。
①他与另外两名科学家因在发现并研究绿色荧光蛋白方面做出的贡献分享了2008年诺贝尔化学奖。
第四部
这些场景……它们为什么在年复一年中完好无损地保存了下来，难道它们是由一些更为永恒的材料做成的吗？
——弗吉尼亚·伍尔夫，《往事素描》（1953）