一只蓝黄相间的海蜗牛悠然自得地坐在漆黑的实验箱里——这个实验箱实际上是一个塑料槽，安置在一个临时装配的冰箱底部的一张电动桌上，突然，强光照射在蜗牛身上，同时实验箱底部开始轻轻晃动以模拟海浪，蜗牛本能地紧缩身体下面的“肌足”，以使自己在原位纹丝不动，几秒钟以后，灯又亮了，箱底振动又起，使蜗牛又一次紧缩肌足。
经过150次这样的反复“训练”，蜗牛发现它自己被置于另一个类似的实验箱中，在这个实验箱的下面有一只电视摄像镜头监视着它。这次，当灯光突然照射时，在这个关闭着的冰箱门后，有趣的事发生了，没有底部的振动，蜗牛也紧缩它的肌足。
马里兰州Bethesda市国立神经疾患与中风研究所（NINDS）的神经系统研究负责人D · L · 阿尔康（Daniel L · AIkon）说，“一般情况下，单有灯光决不会引起这种反应的，”但是如果灯光正好在振动之前或振动过程中重复出现，这种学名为Hermissenda crassicornis的海蜗牛最后就学会了当光照射时紧缩它的脚，“就像巴甫洛夫的狗在铃响时分泌唾液一样，好像肉香味就在那里。”
在过去的20年里，阿尔康和其他一些研究者一直在研究海蜗牛以及白鼠和兔子的神经系统，以探索记忆的分子机制。他们的探索，把他们引导到神经细胞膜表面叫做蛋白激酶C（PKC）的分子。
所有动物的细胞中都含有PKC，它在诸如生长发育，血凝以及激素等多种生理过程中起作用，20世纪70年代初一位日本科学家首次发现了这种分子；1979年，研究人员发现这种分子通过把磷酸基团附加在其它分子的某些特定的位置而起作用。这种附加磷酸基团改变那些分子的功能增加或降低它们的活动水平。
PKC可能是学习和记忆的基础的最初的直接线索之一是在1986年发现的。新泽西州普林斯顿大学的约瑟夫 · 法利（Joseph Farley）观察到注射PKC或一个已知可激活PKC的化学物质能兴奋海蜗牛眼中的感光神经细胞。这种方法引起的兴奋状态与由光照和振动所引起的十分相似，这些神经细胞打开膜上的钙通道，同时关闭其它钾通道，用微电极追踪这一过程，法利观察到，它使细胞中正常的负电荷发生了翻转。
在这之前6年，阿尔康已经发现动物学习时，神经元中电化学流发生了变化。他同现在迈阿密大学的约瑟夫 · 尼亚里（Joseph Neary）进一步证明一种需要钙的蛋白参与学习过程。因为像PKC—类的化学物质所引起的变化相似于学习过程中细胞的变化，阿尔康和法利分别展开了研究，分析PKC作为学习物质介导学习所引起电流改变的可能性。他们提出，PKC对学习的贡献表现在，它以某种方式关闭钾通道，使神经元对一种新刺激的反应更为强烈。
阿尔康和法利推断，如果对于学习和记忆只有单分子起作用的话，那么，它的出现、消失和再现就应当与学习、遗忘和记忆过程相一致。这种分子也可能引起神经元结构的变化，以至于它们能用不同的方式分别同其它神经元联系，此外，这种学习物质每一时间都仅在一个神经元的一个区域中表现活性，这就使一个神经元可能会有能力容纳多重性记忆。
过去18个月所积累的证据支持了这一理论，即PKC协调学习和记忆所必需的神经元的功能。阿尔康说，“我不怀疑在我所看到的模型中，PKC对学习和记忆是至关重要的，”因为“我们用了这么多不同的方法，并且有这么多不同与此相一致的证据。”
现在在布卢明顿市印第安纳大学的法利同意这种说法。他认为，最使人信服的证据来自对海蜗牛的实验。
“我认为，很清楚你可以用PKC仿效（在这些蜗牛身上）的学习，”法利说。他指出“PKC的抑制剂将阻遏那些变化。”此外，他的资料提示“PKC激活的进行对海蜗牛的记忆保持也是必要的。”
也在用多色海蜗牛进行研究的T · J克劳（Terry J. Crow）说，其他神经科学家开始承认PKC与学习之间的联系。这位在休斯顿德克萨斯大学医学院工作的神经生物学家指出，“我们这里做的所有研究表明，PKC足以产生参与学习讨程的神经性变化。”
一年前，他报告的研究表明，一种抑制蛋白质合成的化学物质同样也妨碍海蜗牛对训练周期超过1小时的记忆，克劳的实验与阿尔康的不同，因为这些蜗牛只接受了一次光照，便立即注射5羟色胺一一一种克劳相信也对记忆起关键作用的神经传递物质。
“这些结果说明，在长期记忆形成过程中，在训练过程中或训练后不久所发生的蛋白质合成可能是关键的一步。”克劳和同一学校的J · 福雷斯特（James Forraster）在1990年6月号的《国家科学院院刊》（87卷第12期）上这样写道。
克劳也已显示，阻遏PKC的化学物质能影响海蜗牛的短期记忆，但不影响其长期记忆。他说，这提示PKC可能只对把两个刺激短期（或许几个小时）联系在一起至关重要，而在延续几天、几个月或几年的记忆中起主要作用的则可能是另一种机制。在1991年3月号的《神经科学杂志》上克劳报告了他的研究结果，海蜗牛眼中两种不同的感光细胞的兴奋分别参与短期记忆和长期记忆。
阿尔康对这些结果有不同的解释。即使克劳和法利有证据证明，把信号传送给海蜗牛眼中的光感受器神经元包含有5－羟色胺，阿尔康仍不相信5－羟色胺在学习中起重要作用。他从来没有在与海蜗牛的光感受器毗邻的细胞中找到5－羟色胺。他认为克劳和法利发现的5－羟色一定来自脑的其它部位。
阿尔康猜测，一种不同的神经递质——叫做GABA，即r - 氨基丁酸可能在使海蜗牛把光照和振动两个事件联系中起部分作用。
在阿尔康实验室工作的神经生理学家胡安V · 桑切斯 · 安德烈斯（Juan V · Sanchez Andres）和雷内 · 埃切布里格雷（Ren'e Etcheberrigaray）。用两种不同的技术测试GABA对从海蜗牛眼中取出的感光细胞的作用。他们发现，GABA能够促使感受细胞关闭它们的钾通道，并使之兴奋，其方式与学习的作用相仿。
阿尔康实验室的其他研究者发现，GABA存在于平衡囊是的纤毛细胞——平衡囊是海蜗牛用来感觉诸如振动等运动的器官。此外，阿尔康说，他们已经证明了抑制PKC的化学物质同样也能阻遏GABA与所产生的模型记忆的作用。
阿尔康说：“许多人会为此而兴奋”。他说，在先前的研究中，GABA被证明是抑制神经元而不是兴奋神经元的。他和资深合作者路易斯 · 马泽尔（Lonis Matzel）将在《脑研究》杂志中介绍这些新结果。
在他的小组对GABA研究结果的基础上，阿尔康构建了一个理论模型，这一模型表述了当一只蜗牛学习把光照与振动联系起来的时候，发生在其感光神经细胞外膜的事件的顺序。根据他的模型，入射的闪光在神经元中触发一系列的脉冲，伴有钙的内流。之后，振动引起蜗牛平衡囊释放GABA，并结合于该神经元，上述两种事件使贮存在细胞内PKC移至细胞膜，在膜上PKC通过一类称为G蛋白膜物质中的一个成员起作用，使钾通道关闭。当钾通道关闭时，神经元变得更可兴奋，以至后来只用光照也能像振动一样引起相同的行为反应。
克劳和法利构建了一个类似的模型解释蜗牛中的学习，只不过用5－羟色胺取代了GABA。他们相信，5－羟色胺能够间接地作用于PKC，PKC接着移至细胞膜中关闭钾通道。随着钾通道的关闭，神经元即易被触发，在接受另一个刺激后就会放电——这个刺激可以是光，也可以是5－羟色胺。蜗牛学会后，“同样的光照会引出一个不同的反应（以紧缩足的形式）。”克劳解释道。
阿尔康认为帮助PKC关闭钾通道以及保持神经元兴奋来进行学习都必需 G蛋白，法利对此持怀疑态度。他说，“在我们的模型中，PKC直接作用于离子通道……根本不需要G蛋白”。
不过，克劳、法利和阿尔康都同意，PKC在使参与学习的神经元兴奋性增高方面起主要作用，阿尔廉解释说，“PKC诱发的变化可持续几天甚至几周 。 ”
但是，PKC引起的短期记忆效应是怎样转变为长期记忆的呢？
阿尔康的研究小组正在探索PKC的长期记忆效应。在1990年1月号的《国家科学院院刊》（87卷第1期）上，来自阿尔康实验室的托马斯J · 纳尔逊（Thomas J · Nelson）报道，受过训练的蜗牛的神经元，其信使核糖核酸（mRNA）的含量抝高了（mRNA姓一种化学媒介物，DNA借此产生蛋白质。）阿尔康和纳尔逊还证明是学习引起mRNA含量的增高，并非光照或振动的经验所致：经历过杂乱的振动和光照的蜗牛并未作学习，也未表现出mRNA含量的增高。
不久前，纳尔逊揭示，mRNA受控于阿尔康所说的G蛋白。阿尔康说：“G蛋白竟然调节mRNA的转换，或者mRNA的译读。这是非常振奋人心的，因为它表明G蛋白不仅对钾通道起作用，而且还影响蛋白的合成”。纳尔逊和阿尔康正准备发表他们的发现。
蛋白的合成与学习有什么关系呢？
阿尔廉认为，长期记忆依赖于“固定接线”的变化，这些变化强化神经元之间某些联系，而使其它联系减弱，这些结构的变化发生在神经元的树突上，通过树突，神经元接受传入的电脉冲。要改变其分支的模式，神经元必须产生新的蛋白质。
按阿尔康的说明，学习先激活一种神经元的PKC，PKC继而激活一种G蛋白。然后，由G蛋白关闭钾通道，以保持神经元的兴奋进行短期记忆。G蛋白也调节蛋白的合成，通过改变神经元分支结构，蛋白的合成以‘同定接线’的方式把记忆长期保留下来。
法利对神经元的变化能否形成长期记忆提出疑问。“我对于据称因学习而发生的细胞容积的变化有点怀疑，”法利说。
然而，阿尔康实验室中的实验却支持了这一说明。在1990年2月的《国家科学院院刊》（87卷4期）上，阿尔康及其几个同事报道，把染料注入受过训练和未受训练的海蜗牛感光细胞中的结果。染色显示出受过联系光照与振动训练的海蜗牛，其神经元比未受此训练的海蜗牛的神经元分支少而且短，这提示学习能够改变神经元的分支模式。
阿尔康推断说，这种新的分支模式应该反映在新细胞膜由细胞体向分支终末的输送所出现的波动上。去年，阿尔康实验室的西蒙 · 莫什阿奇（Simon Moshiach）与纳尔逊和桑切斯安德列斯一起证实了这一变化。注入从蜗牛身上提取的G蛋白，就可减慢新蛋白小粒沿蟹的大神经细胞轴突的流动（轴突：神经元传递输出信息的长分支）。尽管阿尔康认为长期记忆可能需要神经元结构的变化，但他也发现了PKC参与的证据。与拉杰斯大学（新泽西州的New新不伦瑞克市）的马茨埃尔一起，阿尔康发现了海蜗牛经过学习后，PKC的效应能持续几周之久。
马茨埃尔通过光照与振动结合反复训练蜗牛，重复的次数则是以使其学会把两个刺激联系起来；他并没有反复重复这个刺激周期来强化蜗牛的记忆。大约1周后，蜗牛忘记了2个刺激物之间的联系，光照单独出现不再引起其足部肌肉紧缩。但是，马茨埃尔等待了2周之后，重新训练这个蜗牛，他发现只经过少数几次训练，蜗牛便能重新学会这种联系。
“尽管它们忘了，它们仍然保持了一些记忆，因为它们重新学习时非常快，”阿尔康说。
为了弄清PKC是否在这种效应中起作用，马茨埃尔研究了从已经遗忘了所受训练的蜗牛眼中取出的感光细胞。如果他把钙作用于这些细胞，正像经过学习它们会那样做一样，它们关闭了钾通道，但当他添加一些抑制PKC的化学物质时，钾通道保持开放。阿尔康认为，“这个结果有力地证明了PKC长时间参与学习过程。”
随着蜗牛的学习和记忆与PKC有关的证据不断增多，阿尔康研究小组开始在较高等的动物中寻找类似的联系。
1988年，阿尔康的同事巴里 · 班科（Barry Bank）与NINDS和耶鲁大学的合作者用一种放射性染色追踪PKC在兔子中的激活。他们发现，训练兔子把一种特定的音调与眼睛。附近的一种轻微电击联系起来，兔子最终能够学会一听见那种声音就落下其眼睛上的保护膜。这种染色显示出受过训练的兔子脑部海马区PKC含量增高了。以前对人和动物海马区损伤的研究业已表明，脑的这个区域对保持数天的记忆是至关重要的。
NINDS的詹姆斯 · L · 奥尔茨（James L · Olds）进一步精确地追踪了PKC在兔子海马区所有神经细胞中的运动情况。他发现，训练一天后，兔子神经细胞体中PKC含量就有了增高；而训练3天后，PKC便移至树突膜上了。这一结果支持了对海蜗牛的研究结果，即经过学习PKC从神经细胞体移至细胞膜。
与巴尔的摩的笛普金斯大学的戴维 · 奥尔顿（Dovid Olton）一起工作，奥尔茨训练白鼠在一只水箱中游泳，让它区别稳定与不稳定的平台，后者使白鼠能爬离水面。受到暗示的白鼠比通过试错而学会区分哪个平台稳定的白鼠，其海马区PKC含量更低，这一研究报告发表在1990年11月《神经科学杂志》上。
最近，奥尔茨和桑切斯 · 安德烈斯已经开始研究动物成长早期PKC的变化。通过给尚未睁开眼睛的幼兔脑切片着色，他们发现其海马区神经元的绝大部分PKC位于细胞体侧面的两条带上。相反，大一点的兔子，其海马区神经元只有单一条弥散的带，在这条带上；PKC位于树突周围。大约10天大的幼兔便开始睁开眼睛探索周围环境，这时候，它们的PKC便移入了树突，可能开始编制它们的记忆，奥尔茨说。他推测，小幼兔之所以把PKC积聚于细胞体附近，是因为它们此时还没有机会去学习周围环境。然而，当它们睁开眼睛时，大量值得记忆的新信息便涌入它们的脑——这就使得PKC记忆通道开始启动。
另一些人正在研究PKC与人类疾病的关系，如阿耳茨海默氏病，这种疾病侵蚀病人的记忆和学习能力。在圣迭哥加利福尼亚大学由斋藤（Tsunao Saitoh）领导的一个研究小组在1990年7月号的《神经科学杂志》上报告了11例死于阿耳茨海默氏症的患者，其脑中PKC含量仅为7位死于其他原因的人的脑PKC含量的一半。这一结果进一步证实了他们先前的发现：用一种不那么特异的方法来测量PKC。结果已提示阿耳茨海默氏症患者的PKC含量降低。
斋藤和他的同事通过测量解剖的阿耳茨海默氏死患者活检脑中结缔组织细跑的PKC含量，排除了由于他们的神经元的普遍死亡而导致PKC含量减少的可能性。他们发现这些细胞的PKC含量比人们所预料的还少。
研究低级蜗牛的发现，使人们有信心相信PKC与人类的学习和记忆有关。这表明，研究者们在探索记忆分子机制奥秘的过程中，并没有走入死胡同，与此同时，他们在把调节人类学习的功劳全部归于PKC上也十分审慎。
“我们对诸如G蛋白一类的可能参与（人类和其它高级动物的）学习的其它分子还不了解，”阿尔康说，“分子通路非常复杂，在这出戏中肯定存在着其它许多我们尚未遇见的演员。”
法利补充道：“毋庸置疑，PKC在学习和记忆中起着重要的作用，但也肯定不是独自担此重任。”
[Science News，Vol，139，NO，21，1991年]