研究人員為老鼠開發(fā)迷宮實驗

　　尋找大腦的記憶存儲“芯片”

　　◎宋聞凱 實習(xí)記者 朱 璽

　　無論是小朋友第一次記住回家的路，還是在朋友生日的時候第一時間送上祝福，在人類的高級認知活動中，記憶無疑擁有不可替代的重要地位——人類之所以能夠認識世界和改造世界，關(guān)鍵在于人類大腦有超凡的思維能力和記憶能力。那么，大腦的記憶存儲“芯片”在哪兒？大腦如何進行記憶分類檢索和控制？

　　3月31日刊載于美國有線電視新聞網(wǎng)站上的一則研究將人們的視線拉回記憶這一話題。在這項研究中，紐約洛克菲勒大學(xué)的研究人員為老鼠開發(fā)了一個迷宮實驗，試圖解開長時記憶的存儲之謎。

　　探秘人類記憶加工廠

　　從保持時間長短上看， 記憶可以分為感覺記憶、短時記憶和長時記憶。人的感覺記憶類似鍵盤和攝像頭，從外界感知到的視覺、聽覺等所有刺激在轉(zhuǎn)化為信息之后都會在感覺記憶中登記。它只能保持極短的時間，容量也極為有限。大部分信息在感覺記憶階段就會消失，少部分信息因得到注意而進入短時記憶并在幾分鐘內(nèi)指導(dǎo)人們執(zhí)行決策，幫助人們完成當下的任務(wù)。但短時記憶的容量也較為有限。隨后，一些重要的短時記憶被進一步加工，進入長時記憶的“倉庫”，保存幾天甚至幾年、幾十年的時間。長時記憶的容量一般被認為上限很高，甚至沒有明顯上限。但與短時記憶相比，其回憶和再認是一大難點，也是記憶相關(guān)訓(xùn)練著重加強的部分。

　　那么，這些不同類型的記憶都儲存在大腦的哪個區(qū)域呢？

　　一般認為，記憶形成信號主要存儲在大腦皮層、小腦、海馬體和杏仁核等大腦結(jié)構(gòu)中。其中，大腦皮層和海馬體是與記憶相關(guān)的關(guān)鍵部位。位于內(nèi)側(cè)顳葉的海馬區(qū)是記憶加工的重要場所，這個海馬狀結(jié)構(gòu)位于太陽穴向內(nèi)幾厘米，對短時記憶的加工、存儲以及長時記憶的提取都尤為重要。記憶能力與海馬體的激活、海馬體中新神經(jīng)元的產(chǎn)生速度以及海馬體結(jié)構(gòu)的大小相關(guān)。2006年，一項發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究利用電生理和分子生物學(xué)技術(shù)，解釋了內(nèi)側(cè)顳葉損失之后人類無法建立新記憶的原因。

　　隨著時間的推移，形成已久的記憶逐漸表現(xiàn)出獨立于海馬體的趨勢。20世紀中后期和本世紀初的研究都表明，短時記憶主要由海馬組織加工，而長時記憶很大程度上依賴大腦皮層，例如前額葉和前扣帶回皮質(zhì)等聯(lián)合皮層區(qū)域。大腦皮層是整個中樞神經(jīng)的最高級中樞，其高度進化也是哺乳動物進化的標志。其中位于兩眼正中間的前額葉皮層與語言記憶等高級認知功能密切相關(guān)。海馬體能處理儲存的信息較為有限，因此適合處理短時需要注意的信息，而隨著海馬體與皮層的溝通，短時記憶進入長時記憶，前額葉皮層也不斷被激活，長時記憶最終被固化下來。

　　2021年，復(fù)旦大學(xué)學(xué)者發(fā)表在《自然·通訊》雜志的研究論文進一步顯示，長時記憶中的語義記憶和情景記憶擁有一個共用的神經(jīng)環(huán)路，二者更好的提取可能跟左側(cè)額下回和前島葉皮層等區(qū)域與腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層功能連接的弱化有關(guān)。

　　腦科學(xué)研究走向深入

　　近年來，隨著研究深入，我們對記憶的認識有了以下幾方面進展。

　　首先，科學(xué)家逐漸意識到，記憶并不是像倉庫里的商品一樣固定地儲存在某個腦區(qū)里?！安⒉皇钦f每段記憶都會被存放在一個細胞里，然后填滿整個大腦?！泵绹芴K里大學(xué)的認知心理學(xué)家尼爾森·科萬指出。記憶的過程依賴不同大腦結(jié)構(gòu)之間的網(wǎng)狀連接，以及由此形成的具有不同功能的神經(jīng)環(huán)路。這些被激活的神經(jīng)元可以看作一個個信號單位，它們按順序被激發(fā)而構(gòu)成的神經(jīng)環(huán)路中的神經(jīng)編碼，就代表一組記憶。

　　其次，人們對與記憶相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)有了更精細化的認識。從海馬體到大腦皮層之間的神經(jīng)通路也在逐漸被填補。在文章開頭提到的研究中，來自美國洛克菲勒大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)連接海馬體和大腦皮層的一個大腦區(qū)域——前端丘腦，是記憶鞏固過程的關(guān)鍵。

　　在這項研究中，為了弄清楚在海馬體的短期任務(wù)和大腦皮層的長時記憶之間發(fā)生了什么，科學(xué)家們需要記錄大腦連續(xù)幾周內(nèi)的活動?，F(xiàn)有的電生理研究可以同時捕捉多個腦區(qū)，但在時間尺度上較為受限。傳統(tǒng)的顯微鏡雖然可以記錄數(shù)周的大腦活動，但它們一般只能關(guān)注大腦的一個狹窄區(qū)域。

　　于是，研究人員開發(fā)了一種新的三通路單細胞成像技術(shù)，在幾周內(nèi)觀察追蹤海馬體和大腦皮層中間區(qū)域中的神經(jīng)元，以此研究小鼠的記憶如何鞏固。他們讓小鼠在一個不斷旋轉(zhuǎn)的泡沫塑料球上原地跑步，同時觀看虛擬現(xiàn)實迷宮，就像超級馬里奧游戲中那樣。迷宮里有些是高級獎勵，有些是消極刺激。一個月后，這些小鼠只記得那些包含獎勵的區(qū)域。

　　在這個過程中，研究人員不斷記錄小鼠的記憶過程并測量其神經(jīng)回路的差異。他們后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，前端丘腦這一結(jié)構(gòu)在小鼠的記憶鞏固中起著關(guān)鍵作用。在隨后的兩個實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，抑制前端丘腦會破壞小鼠長期記憶的形成。反之，強化前端丘腦會保留原本不會被長期儲存的記憶，并使它們繼續(xù)保持下去。

　　北京腦科學(xué)與類腦研究中心的博士后研究員趙韶苓表示，這項研究的意義在于，它利用新的成像技術(shù)在時間和空間尺度上同時進行了突破性拓展，同時也發(fā)掘出前端丘腦這個促進記憶由起點向終點轉(zhuǎn)變的“守門員”，為進一步揭示短期記憶與長期記憶的關(guān)系打開了突破口。

　　她指出，該研究有望在未來應(yīng)用于與記憶障礙相關(guān)的多種神經(jīng)退行性疾病的診斷與治療，如阿爾茨海默癥、健忘癥等。