学习和记忆是生物体适应环境，存储和提取信息的核心能力。数百年来，科学家们研究了影响学习效果的各种因素，其中，集中学习与间隔学习效应（massed-spaced learning effect）成为经典且重要的认知现象。间隔学习，即将学习活动分布在多个时间段进行，能显著增强记忆效果，远优于短时间内的集中学习。此现象最早由心理学家赫尔曼·艾宾浩斯提出，几乎横跨所有已知的动物种类。然而，传统观点普遍认为，这种效应的产生依赖于神经系统特别是神经网络的功能。近期发表在Nature Communications的研究为这一认知带来了颠覆，科学家首次在非神经的人类细胞中观察到了集中与间隔学习效应，展现了细胞层面信号通路的动态调节能力和潜在记忆功能，拓宽了“记忆”这一概念的定义边界，也为记忆形成机制的研究带来了全新视角。
研究团队开发了两种不同类型的人类细胞系，分别用含有短寿命萤火虫荧光素酶报告基因的质粒，使其表达依赖CREB（cAMP反应元件结合蛋白）的启动子。该设计以CREB介导的转录活性为记忆形成的分子代理，实现了在细胞层面感知和响应时间间隔的能力。实验过程中，科研人员模拟了学习刺激，采用重复的福斯可林和/或四十二烷酰基酚脂酰乙酸酯（TPA）脉冲进行刺激，进而测量各种时间点上的萤火虫酶表达水平，作为“记忆”强度的指标。研究结果显示，四次间隔施放的脉冲能够引发比同等剂量的单次集中脉冲更强且更持久的荧光素酶表达。这表明，间隔训练不仅促进信号激活强度，还延长了相关基因转录的持续时间。此外，间隔脉冲也增强了对记忆形成至关重要的分子因子如ERK和CREB的激活状态，且通过抑制ERK或CREB可以阻断该间隔效应，证明这些信号通路的核心调控作用。
ERK（extracellular signal-regulated kinase）和CREB是调控细胞长时程反应和记忆形成的关键信号节点，它们在众多细胞类型中保守存在，体现了记忆相关机制的阶段性保守性。这一发现打破了对记忆仅限于神经回路的传统认知，彰显了更宽广的细胞“认知”能力。细胞层面上的计时机制允许非神经细胞通过调节内在信号途径，将瞬时刺激转换为长期的转录响应，形成一种类似于记忆的表型。研究采用人类神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞和人胚肾HEK293细胞进行研究，前者具有神经特性，后者则完全非神经来源。两种细胞均展示了间隔效应，验证了该现象的普遍性和细胞自主性。实验中使用发动剂福斯可林激活腺苷酸环化酶，提升细胞内cAMP浓度从而激活PKA（蛋白激酶A），TPA则直接激活PKC（蛋白激酶C）。
这两个信号通路均与传统神经系统中学习和记忆的分子机制高度相关。通过严格控制刺激的时间和频率，研究清晰揭示了不同时间间隔的刺激对基因表达水平的显著影响，反映了面向记忆的分子“编码”具有时间敏感性。荧光素酶报告基因的设计考虑了蛋白质快速降解机制（PEST序列），确保测量的信号反映的是即时转录活性，而非蛋白质积累，有效模拟了“遗忘”过程，体现了记忆形成和丧失的动态平衡。值得注意的是，间隔刺激不仅增强了转录强度，还减缓了相应表达的衰减速度，为长期记忆的分子基础提供了实验证据。研究中通过免疫印迹和免疫荧光等手段，揭示了ERK和CREB激活水平在间隔刺激下显著高于集中刺激，且ERK的活化不仅仅局限于磷酸化水平，还体现在活化后的核转移，强化了转录调控的层面。此外，通过使用特异性抑制剂U0126（ERK抑制剂）和666-15（CREB转录活性抑制剂），研究进一步证实了ERK和CREB的活性对于间隔效应的形成不可或缺，这种互相依赖的信号反馈维持了细胞记忆的持续性。
抑制剂的介入大幅削弱了荧光素酶表达，彻底阻断了间隔增强效应，体现了这两个因子在调节学习记忆过程中的核心作用。该发现为未来认知障碍治疗和认知功能提升研究提供了重要线索，尤其是利用非神经细胞模型加速筛选和机制分析的可能。传统神经记忆模型受限于实验材料和复杂性，本文提出使用无限扩增的细胞培养体系研究记忆形成中复杂的时间编码和信号整合机制，为系统生物学和计算神经科学的交叉研究提供了全新平台。非神经细胞记忆的研究不仅限于基础科学，它也将推动药物开发、精准医疗以及认知训练程序的优化。通过详细描绘PKA、PKC、ERK及CREB相互作用的网络特性，我们将能够精准设计训练模式，实现认知功能的最大化。科研团队表示，未来工作将进一步揭示不同信号通路的时间动态如何整合，具体分子机制如何驱动转录组的长期调整，以及这一过程在疾病状态如阿尔茨海默病、认知障碍中的变化规律。
同时，非神经细胞的研究也启发了对“细胞智能”及“细胞记忆”新范式的理解，突破神经科学传统框架，强调所有细胞具备以复杂信号耦合实现环境响应与适应的能力。总结来看，集中与间隔学习效应的发现标志着学习记忆科学迈入了细胞信号调控的新纪元，促使我们重新审视生命的基本信息处理机制。随着研究的深入，未来或将带来全新的认知干预策略，助力大脑及整个机体的健康和功能提升。这不仅丰富了科学理论，也展现了生物医学与系统生物学结合的巨大潜力，为人类掌控和优化学习能力开辟了广阔的道路。
