学习、记忆、睡眠等的分子基础

脑的任何一种特殊机能以及任何一种复杂而高度专一的活动，如学习、记忆、睡眠等，都是在一定的分子结构和活动的基础上建立起来的。脑有足够的物质基础提供各种复杂活动的可能性。
人脑据估计约有1010个神经元。每个神经元至少可与104个神经元发生突触联系。全脑至少有1014个突触。从宏观上看，完成某一简单的学习行为，至少包括10⁵～10⁶个突触的活动。而且各种神经活动所涉及到的神经细胞，都有严格的区域分工。因此，以分子为基础的不同神经活动，都与不同的脑区域的化学结构有密切关系。
自从遗传学上出现了分子密码的概念以后，在神经生物化学中也引用了分子密码和信息贮存等概念。可以把神经系统的基本功能概括为：接收、贮存、传递外界信息并对所获得的信息进行分析、综合，必要时，作出适当的行为应答。
学习、记忆、睡眠等的分子基础是非常复杂的，目前只揭示了某些不系统的物理和化学过程。对于全部阐明某些行为的全部分子活动基础，也还距离甚远。下面只介绍有关学习、记忆、睡眠的一些研究成果。
将受过某些训练的动物和未受过训练的动物作比较，阐明受过训练的动物脑细胞核中RNA有所增加。RNA的碱基比也发生了变化。一般认为，神经胶质细胞的R-NA与短期记忆有关，而神经元RNA与长期记忆有关。大鼠进行觅食学习时，脑海马回RNA合成的速度增加。学得快的大鼠，脑RNA增加得也快。特别是41～45S核内RNA和4～18S细胞质RNA，学得快的大鼠脑中的含量比学得慢的高得多。将训练后的大鼠脑RNA注入未经训练的大鼠脑中，可使受过训练大鼠的习惯动作在未经训练的大鼠身上重现。
虽然学习、记忆等和RNA的合成有密切关系，但有关的研究工作为数尚少。
学习、记忆、睡眠等与蛋白质和肽类的关系，也开展了一定的研究工作。实验证明，在学习的开始阶段，蛋白质的合成速度有所增加。从受过训练的动物脑神经胶质细胞中，分离出一种分子量为24,000的特异蛋白质，即S—100蛋白，并从神经元中分离出一种称为14-3-2的蛋白。随着信息的获得，糖蛋白也相应地发生变化。蛋白质的抑制剂如放线菌酮和嘌呤霉素等都有阻碍学习巩固的作用，使短期的记忆不能转化为长期的记忆。
用大白鼠做实验表明，大鼠有喜暗习性，如果把黑暗与电击相结合，就会使大白鼠获得避暗的能力。将避暗大鼠大脑提取物注射给未受过避暗训练的大鼠，可引起未受过训练的大鼠产生避暗行为。注射未受过训练的脑提取液，则不引起避暗行为。这种大鼠仍保持其趋暗习性。同样，将避绿趋蓝动物的脑提取物注射给未受过训练的动物，也使其获得避绿趋蓝的能力。用小鼠做迷宫实验又得到了进一步的说明。令一组小鼠学习走通迷宫“A”后得到饮水，令第二组小鼠学习走通迷宫“B”后得到饮水。将分别受过走迷宫“A”和走迷宫“B”训练的鼠脑提取物注射给两组未受过训练的小鼠，然后使一组小鼠通过与提取物供给者相同的迷宫，使另一组小鼠通过与提取物不同的迷宫，对照组小鼠接受未受过训练动物脑的提取物。实验结果表明，接受走过迷宫“A”训练小鼠脑提取物的小鼠，能迅速地学会走通迷宫“A”，但对迷宫“B”的训练却没有加速作用。同样，接受走过迷宫“B”训练小鼠脑提取物的小鼠，也能迅速地学会走通迷宫“B”，而对迷宫“A”的训练也没有加速作用。以上实验表明，脑中确有一些特殊的信息物质。这些信息物质既包含着对迷宫末端水源的信息，也包含着以迅速的方式获得水源的信息。
对受过训练小鼠脑的提取物进行分离，寻找其中的活性分子，取得了显著的成效。
从避暗大鼠的脑提取液中，分离出一种肽，称为恐暗素，分子量约1800。它能使未受过训练的大白鼠对黑暗反感而产生避暗反应。
从受过避蓝趋绿或避绿趋蓝训练的金鱼脑提取液中分离出两种肽。这两种肽都是9肽，其中有7个氨基酸是相同的。相反的两种避色性，使9肽的N-端和C-端的第2～4个氨基酸的排列不同。这些肽称为辨色肽。
用几千只对铃声产生习惯的大鼠做实验表明，从这种大鼠脑中可分离出一种六肽。用人工合成的六肽也可有诱导习惯行为的作用，但天然肽的作用远较合成肽的作用大。这表明还有其他辅助因子参加作用。
丘脑下部-垂体复合体释放的许多激素都与动机、学习、记忆等有直接和密切的关系。例如ACTH及其类似物可影响多种行为，如主动与被动回避行为，趋近行为，逆转学习，性冲动行为和遗忘等。生长激素及其片段也直接影响中枢神经系统的作用。
应着重指出的是，学习和训练很可能有触发神经细胞内DNA中特定基因的作用，使这些基因有可能转录于特种mRNA。记忆贮存与mRNA的浓度有密切关系。以mRNA作为模板，即可合成相应的记忆肽，这些肽有改变突触机能的作用，可使神经冲动的传递容易化。
关于睡眠的物质基础，早在1910年曾有人将失眠10天以上的狗脑脊液注入正常的狗脑池内，使狗产生了睡眠，随即提出存在一种睡眠因子。瑞士学者Hess发现，用电刺激丘脑使动物产生睡眠，可从动物血清中分离出一种九肽，称为睡眠肽，又称δ睡眠诱导肽(OSIP)，其结构为：色—丙—甘—甘—天冬—丙—丝—甘—谷。实验证明，能够引起以δ-波为特点的睡眠。如果改变九肽中的任何1～2个氨基酸，或缩短肽链，都会失去诱导睡眠的作用。现已发现脑中存在数种睡眠肽。
近年来，对类吗啡物质的研究表明，这类肽不只影响感觉、行为，还影响情绪，很可能对阐明脑的功能起重要作用。
总之，学习、记忆、情绪、睡眠等都是中枢神经系统中发生的复杂过程，所牵涉到的分子变化是错综复杂的，以上仅就其某些单项物质和简单行为的关系举出一些实例表明脑活动包括学习、记忆、情绪、睡眠等等生理活动，以及思维活动都是以分子活动为基础的。