谷氨酸是如何帮助大脑发育、构造记忆的。

从结构上看，谷氨酸这种分子其实特别简单，它是构建蛋白质的20种氨基酸中最简单的一种，只有5个碳原子、4个氧原子、8个氢原子和1个氮原子。有研究发现，只要往氢气、氨气和甲烷的混合物中持续注入蒸汽并加以电击，就能制造出谷氨酸分子，这些气体都是远古时期地球的空气成分，这意味着谷氨酸可以自发地出现在原始地球上。事实也确实如此，谷氨酸在地球上存在的历史已经有约40亿年，正是谷氨酸等有机分子提供的物质基础，才让生命有了萌发的土壤。作为生命刚出现时为数不多的几种分子工具之一，谷氨酸被赋予了各种各样的使命。细菌用它组成蛋白质，用它制造重要的能量分子ATP，后来又用它在细胞之间传递信号。而谷氨酸作为信号传递分子的这个角色，就是我们今天讨论的重点。

谷氨酸可溶于水，但不溶于脂肪，所以在细胞之间传递时，谷氨酸不能穿透细胞膜的脂质层扩散出去，而是得让细胞把它包裹起来形成小球状的囊泡，通过囊泡与细胞膜之间的分裂和融合，让谷氨酸从一个细胞传递到另一个细胞。很多原始的多细胞生物，就是通过这种方式在细胞间传递信息的，后来同样的机制又被更复杂的生命形态所继承，典型代表就是动物的神经系统。神经系统主要由神经元组成，神经元的形状像是鸡蛋上长树枝，它的细胞体上会延伸出一根较长的轴突和许多根树枝状的树突，这些突起的末端与其他神经元相连，连接部分的结构就叫突触，突起的突、接触的触。突触的前端末梢那一侧，里面有许多囊泡，囊泡里包裹着谷氨酸这类神经递质，当前一个神经元被激活后，突触前端末梢就会释放囊泡，放出里面的神经递质，并让其与突触后端神经元表面的受体结合，来刺激后一个神经元做出反应。

神经递质的种类有很多，但就像刚才提到的，谷氨酸是人脑中最重要的神经递质。整个大脑皮层、小脑、海马体和大多数其他脑区的核心神经元回路，绝大多数都由谷氨酸能神经元组成。另外还有一些相对较小的神经元会吸收谷氨酸，并将其转化成抑制性神经递质γ-氨基丁酸，这些神经元可以抑制谷氨酸能神经元的活性，避免后者过度兴奋。这种机制非常重要，因为神经元的过度兴奋有破坏性，具体机制我们稍后还会讲。总之，谷氨酸在神经系统中扮演着相当基础性的角色，篇幅所限，我们今天只讲它最重要的三个正面作用，分别是引导大脑发育、调配大脑能量以及构造大脑记忆。

婴儿大脑的发育过程离不开谷氨酸的协调。当作者还是一名博士后的时候，他就发现，谷氨酸在神经元网络的形成过程中发挥着重要作用。简单来说就是，在大脑形成时，神经元的轴突会释放出谷氨酸，这些谷氨酸可以帮助轴突和树突之间形成突触连接，并且激活保护机制，告诉这些神经元：你已经和其他神经元连接上了，你要好好活着，不能死掉。反之，那些没有在谷氨酸的引导下与其他神经元连接上的神经元，则会在特定机制下自动死亡。通过这个过程，大脑内部最终会形成一张互相紧密连接的神经元网络，而谷氨酸就像雕刻这张网络的凿子。大脑的神经元网络形成后，要想发挥功能，离不开持续的能量输入。其实大脑是个相当耗能的器官，它只占人体总重的2%，但消耗的能量却高达人体静息能量的20%，所以如何更好地为大脑调配能量，确保需要能量的地方随时有能量可用，不需要能量的地方不产生浪费，就是一个非常重要的问题。临床观察也显示，当某个脑区的神经元网络活动增加时，流向该脑区的血流量也会实时增加，以提升此区域的供能。那这种高效又灵活的能量调配，是如何实现的呢？答案还是依靠谷氨酸。

大脑中除了神经元以外，还有许多服务保障神经元运转的其他细胞，比如星形胶质细胞，这种细胞的主要作用是支撑神经元，帮助神经元进行新陈代谢。它为了完成好这个使命，会密切关注神经元释放谷氨酸的动向，一旦检测到谷氨酸，毗邻的星形胶质细胞就会产生一氧化氮，一氧化氮具有松弛血管的效果，附近的毛细血管感受到一氧化氮后，血流量就会加大，从而增加对活跃的神经元网络的能量供应。在这里，谷氨酸不仅是一种神经递质，还成了一种能量需求信号，可以有效地引导神经元的能量分配。除了临时的能量调配以外，谷氨酸还能帮助神经元获得长期的能量掌控能力。比如在学习和认知的过程中，大脑神经元网络里的谷氨酸受体会被谷氨酸反复激活，从而刺激突触附近出现更多的线粒体。线粒体是为细胞提供能量的细胞器，线粒体的数量多了，神经元的能量利用水平就会得到提高。可见对神经元来说，谷氨酸既是神经递质，又是称职的能量调配师。

最后，谷氨酸还是帮助大脑产生记忆的关键化学物质。虽然人类至今还没有彻底弄清楚记忆的产生机制，但现有的证据显示，持续几秒到几分钟的短期记忆，和持续几小时到几年的长期记忆，两种记忆的形成机制略有不同，但都与谷氨酸有关。短期记忆的产生涉及神经元网络中突触活动的改变。当大脑接收到感官传来的刺激时，突触附近会释放谷氨酸，刺激钙离子流入突触后神经元，随后产生一系列连锁反应，最终让接受谷氨酸刺激的谷氨酸受体，大量插到突触后膜当中。这样一来，突触后神经元对谷氨酸的反应会变得更强烈，科学家们推测，这种突触活动强度的改变，可能就是短期记忆的产生方式。

长期记忆的形成过程稍慢一些。当钙离子流入突触后膜后，会通过一系列机制激活细胞核里的基因，让突触生长得更大，同时谷氨酸还可以诱导前后两个神经元产生新的树突，并在几天后形成更多的突触连接。这样一来，连接神经元的突触变多了也变大了，两个神经元连接得比以往更紧密，这就是长期记忆形成的生理基础。