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最新研究揭示牢固记忆如何形成

2019-08-27 09:30:33  来源:学术经纬

你也许一直记得童年好友的名字,却转头就想不起来刚刚认识的同事叫什么。我们常常有这样的经历:一些记忆历久弥新,一些记忆转瞬即逝。

记忆是大脑无数功能中最吸引人的谜题之一,任何记忆损伤都会影响我们的日常生活。在顶尖学术期刊《科学》的最新一期上,加州理工学院(California Institute of Technology)陈天桥雒芊芊脑科学研究院的科学家,揭示了神经元如何编码牢固稳定的长期记忆。

60多年前,人们开始了解大脑中一个叫海马体的脑区对于形成记忆有着不可或缺的作用。而在海马区,有一群神经细胞负责对空间位置的辨识。身处特定地点时,这类“位置细胞”会被激活,这项发现也曾被授予2014年诺贝尔生理学或医学奖。

此次研究中,Carlos Lois教授领导的研究团队开发了一套方法测试小鼠的空间记忆,考察小鼠在学习、记住一个新的场所时,大脑海马区的神经元是怎么编码位置信息的。

▲通讯作者Carlos Lois教授师出名门,曾先后师从研究海马神经元新生的Arturo Alvarez-Buylla教授和诺奖得主David Baltimore教授(图片来源:Caltech官网)

▲通讯作者Carlos Lois教授师出名门,曾先后师从研究海马神经元新生的Arturo Alvarez-Buylla教授和诺奖得主David Baltimore教授(图片来源:Caltech官网)

研究人员把小鼠放入一条笔直的通道。通道长约1.5米,两侧是白墙。沿墙壁贴着各不相同的符号,作为不同位置的标记,比如靠近最右端有个加号,靠近中心处有条斜线。通道的两端,放着小鼠喜欢的糖水。

与此同时,研究人员在小鼠脑中植入了特制的显微内窥镜,可以同时观察左右半脑的海马区,在它们探索通道时记录神经元的活动。

▲小鼠脑中植入的显微内窥镜,可以在长达8个月时间内对海马区神经元成像(图片来源:参考资料[1])

▲小鼠脑中植入的显微内窥镜,可以在长达8个月时间内对海马区神经元成像(图片来源:参考资料[1])

当第一次被放入通道时,小鼠只是漫无目的地左右闲逛,直到最终碰巧找到糖水。这时候,当小鼠注意到墙上的位置标记时,单个神经元被激活——它在新的场所开始了学习。

随着进入通道的次数增加,小鼠对这个地方越来越熟悉,也记住了糖水所在的位置。在它们看到墙上的符号时,脑中有越来越多的神经元被同步激活。小鼠根据不同的符号识别出了自己所在的位置。

接下来,研究人员让小鼠在至少10天的时间内不再去造访通道,看看记忆如何随时间流逝而淡去。

隔了一段之后,再次回到曾经熟悉的通道,小鼠和它们的神经元会有什么表现?结果显示,尽管单个神经元的活动反应发生了变化,但只要神经元群总体而言仍然有同步活动,小鼠对通道的记忆就仍然鲜明。

▲研究示意图:不同颜色代表不同位置,随着时间推移和不断接触同一场所,编码同一位置的海马神经元越来越多,形成稳固记忆(图片来源:Caltech)

▲研究示意图:不同颜色代表不同位置,随着时间推移和不断接触同一场所,编码同一位置的海马神经元越来越多,形成稳固记忆(图片来源:Caltech)

换句话说,由于编码记忆使用的不是几个而是成组的神经元,即便最初形成记忆的部分神经元停止活动或受到损伤,大脑有余力进行回忆。

对此,第一作者Walter Gonzalez博士打了一个简单易懂的比方:“假设你有一个又长又复杂的故事要讲。为了保存这个故事,你可以把它讲给5个朋友听,然后时不时地和他们聚会,复述这个故事,谁要是忘了某个细节,就互相帮忙补充。此外,每次复述这个故事时,你还可以带新的朋友来,一起帮助保存故事和增强记忆。类似地,你自己的神经元们,互相帮助编码记忆,使记忆随着时间推移依然保持如故。”

这一结果挑战了过去对记忆储存的认识。“大家都知道,一个动作练习得越多,日后就越有可能记住它。”Lois教授说,“现在我们认为,这很可能是因为,你练习得越多,就有越多神经元来编码这个动作。有关记忆储存的传统理论假定的是,一段记忆要更稳定,需要单个神经元之间加强连接。而我们的结果表明,让编码同一段记忆的神经元数量增加,可以让记忆保持更长的时间。”

当记忆无法保持,也就是记忆丧失,是正常衰老时常发生的事,成为很多老年人的生活障碍。而像阿尔茨海默病等疾病引起的记忆丧失,更是造成毁灭性的后果,一些患者连亲人的名字和回家的路都记不起来。

这项研究的结果告诉大家,随着年龄增长,记忆的褪色速度会越来越快,原因在于编码记忆的神经元越来越少,一旦其中有一部分失灵,相应的记忆就丢失了。

不过我们期待,随着对基础原理的理解,有朝一日,科学家或许可以设计出相应的对策,来促进更多数量的神经元参与编码记忆,从而有助于防止记忆丧失。

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