看到记忆的印迹:神经科学家们如何定位、唤醒

2020-01-28 10:29 来源:未知

篮球世界杯赌球,美研究人员寻找记忆的痕迹 研究人员试图揭开关于个人记忆如何形成、组织和相互作用的基本规律

《神探夏洛克》中福尔摩斯在停尸间的初次登场,给不同观众留下了不同的回忆。他对法医茉莉是态度粗鲁,抑或只是对茉莉的紧张无知无觉?

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有意思的是,尽管不同观众回忆这个场景会讲述不一样的故事,但他们的脑部活动基本相同。

图片来源:Andy Potts

美国约翰霍普金斯大学的认知神经科学家Janice Chen最近在做的一项研究,就是让志愿者们观看《神探夏洛克》第一集,然后复述情节,同时扫描他们的脑部图像特征。

对于不是《神探夏洛克》超级粉丝的人来说,认知神经科学家Janice Chen对这部英国广播公司的热播侦探剧的了解比大多数人多。当观众观看这部电视剧的第一集然后描述其情节时,Chen能在脑部扫描仪的帮助下监视他们的脑子里正在发生什么。

记忆是个古老的谜题。记忆储存在哪里?为何被唤起?为何会出现偏差?借助新兴的脑部成像技术,神经科学家们得以“看到”与特定记忆相关的特定神经细胞,了解记忆形成和唤起的规律,并成功地重新激活记忆通路。

Chen是美国约翰斯:霍普金斯大学的研究人员。她听过各种关于一幕前期剧情,即一名女性在太平间和这位以冷漠著称的侦探调情的不同描述。一些人认为夏洛克:福尔摩斯很粗鲁,而在另一些人看来,他并未觉察到这名女性略带紧张的挑逗。不过,当扫描观众的大脑时,Chen和同事发现了一些奇怪的事情:当不同的人就同一场景再次讲述自己的版本时,他们的大脑产生了极其相似的活动模式。

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Chen是越来越多的利用大脑成像辨别同创建和回忆特定记忆相关的活动模式的研究人员之一。过去10年间,人类和动物神经科学领域强有力的技术创新正在使研究人员得以揭开关于个人记忆如何形成、组织和相互作用的基本规律。

福尔摩斯对茉莉是粗鲁,抑或只是无知无觉?不同的观众看完留下不同的记忆

单一记忆的痕迹一直无法被追踪到。美国心理学家Karl Lashley是最早追寻它并将大半职业生涯用于此项探索的研究人员之一。从1916年开始,他训练小鼠跑着穿过一个迷宫,然后破坏掉它们的大脑外表面——大量的脑皮质。此后,Lashley再次将小鼠放到迷宫中。通常,受损的脑组织不会产生太大区别。年复一年,小鼠记忆的实体位置变得难以捉摸。Lashley在1950年总结这项雄心勃勃的任务时写道:“在审查关于记忆痕迹位置的证据时,我有时觉得必需的结论是学习是不可能的。”

“我们正处于黄金时代”,Josselyn说道,“我们有了解答古老问题的技术。”

事实证明,记忆是一种分布式的过程,不属于大脑的任何一个区域。不同类型的记忆涉及大脑中不同的区域。诸如海马体等很多对于编码和提取记忆至关重要的结构都位于脑皮质外面,而Lashley在很大程度上未注意到它们。如今,大多数神经科学家相信,特定的经历会引发这些区域的细胞子集放电、改变其基因表达、形成新的连接,并且改变现有连接的强度。这些变化共同存储了记忆。根据现有理论,当这些神经元再次放电并且重新播放同过去经历相关的活动模式时,回忆便会发生。

也许终有一日,我们可以知道年迈时为何会记忆力衰退,目击证人的记忆为何会出现偏差,从而改进记忆和学习的策略。

不过,测试关于神经元组如何储存和提取特定信息的更高级理论仍具有挑战性。只有在过去十年间关于标记、激活和沉默动物体内特定神经元的新技术出现,研究人员才得以阐明哪些神经元构成了单一记忆。

最新一期《自然》杂志发表的一篇综述性文章,详细介绍了近年来通过脑部成像研究记忆取得的进展。

加拿大多伦多儿童医院神经科学家Sheena Josselyn是帮助引领这一研究浪潮的科学家之一。她的一些早期研究捕捉到小鼠的印迹神经元。2009年,Josselyn及其团队提高了杏仁核(同处理恐惧相关的大脑区域)的一些细胞中被称为CREB的关键记忆蛋白水平,并且证实这些神经元极有可能在小鼠学习并且随后回忆一种将听觉音调和足底电击联系起来的可怕经历时放电。研究人员推断,如果这些CREB水平被提高的细胞是恐惧印迹的重要部分,那么消除它们将“擦掉”同该音调相关的记忆并且移除小鼠对它的恐惧。为此,该团队利用一种毒素杀死了这些神经元。研究发现,小鼠永远忘记了它们的恐惧。

“印迹”是理论上储存单个记忆的路径。美国心理学家Karl Lashley是记忆“印迹”最早的追踪者之一。从1916年起,他训练大鼠穿越简单的迷宫,然后破坏大脑皮层的不同位置,把大鼠再次放到迷宫中。不过,这些破坏似乎都没有让大鼠忘记如何走出迷宫。年复一年,大鼠的迷宫“印迹”依然无法定位。

对人类进行大脑成像的技术进步,正在使研究人员得以缩小并且观察构成印迹的大脑活动范围。使用最广泛的技术——功能性磁共振成像无法对单个神经元成像,但能展现不同大脑区域的各种活动。传统上,fMRI被用于挑选对各种任务作出最强烈反应的区域。但近年来,强有力的分析揭示了人们回忆特定经历时出现的不同的大脑活动模式。“这是认知神经科学领域最重要的变革之一。”宾夕法尼亚大学神经科学家Michael Kahana表示。

记忆印迹十分分散,并不集中在大脑的某个特定区域,而且不同的记忆涉及不同大脑区域的拼接。除了大脑皮层外,海马体也是很重要的部分,而Lashley完全遗漏了这一块。

一种名为多体素模式分析的技术的发展为这场变革提供了催化剂。这种有时被称为解码大脑的统计手段通常将fMRI数据输入可自动学习同特定想法或经历相关的神经模式的计算机程序。2005年,还在读研究生的Sean Polyn(目前是范德堡大学的神经科学家)帮助主导了一项首次将MVPA用于人类记忆分析的开创性研究。试验中,志愿者们研究名人的照片、位置和常见物体。利用在此期间收集的fMRI数据,研究人员训练计算机程序辨别同研究每个类别相关的活动模式。

现代神经科学家认为,特定的经历会激活一组特定的细胞,改变他们的基因表达,建立全新的联系,改变现有细胞联系的强度——记忆由此完成存储。而当这些细胞再次激活,重演与过去经历相联系的细胞活动,回忆就产生了。

随后,当受试者躺在扫描仪上并且列举出所有他们能记住的物品时,范畴化的神经特征在作出反应前的几秒钟内再次出现。例如,在说出某个名人的名字前,“像明星一样”活动模式出现,包括一个处理面部的脑皮质区域被激活。这是关于人们提取特定记忆时大脑会重访编码该信息时所处状态的直接证据之一。“这是一篇非常重要的论文。”Chen表示,“我认为自己的工作是这项研究的直接分支。”

以上是记忆理论上的基本框架和原则。不过,要验证特定的神经元如何存储和读取特定的信息,难度很大。近几年神经科学家们掌握了标记、激活和沉默特定动物神经元的新兴技术,才能定位组成单个记忆的神经元。

随着新技术增加了对印迹的了解,科学家不仅开始研究个人记忆如何形成,还开始关注记忆如何相互作用并且随着时间流逝发生改变。

多伦多儿童医院的Sheena Josselyn带动了一波寻找小鼠印迹神经元的研究。2009年,Josselyn团队提高了小鼠杏仁体内特定细胞的CREB蛋白水平。CREB是一种与记忆相关的关键蛋白,而杏仁体参与处理恐惧这种情感。他们发现,这些神经元极易在小鼠习得、回忆一种在声音与足部电击间建立的恐惧性联想时激活。研究者们推理,如果这些CREB蛋白水平激增的神经元是恐惧印迹的一部分,那么消除它们就能消除恐惧记忆。果然,Josselyn团队用毒素杀死了CREB蛋白水平提高的神经元,小鼠在听到声音时再也不恐惧了。

在纽约大学,神经科学家Lila Davachi正利用MVPA研究大脑如何对共享重叠内容的记忆进行分类。2017年,在一项同Alexa Tompary(当时是Davachi实验室的研究生)合作开展的研究中,他们向志愿者展示了128个物体的照片。每个物体都同4种场景里的一种配对,比如海滩景色伴随着杯子出现,都市风光同伞配对。每个物体仅和一种场景同时出现,但很多不同物体伴随着同一场景出现。起初,当志愿者将物体同相应场景配对时,每个物体都会引发一种不同的大脑激活模式。但一周后,对于和相同场景配对的物体,在这项回忆任务期间出现的神经模式变得更加相似。大脑根据共享的场景信息再次组织了记忆。“这种聚类代表了学习要点信息的开始。”Davachi介绍说。

数月后,加州大学Alcino Silva做出了类似的实验,成功通过抑制CREB蛋白水平过高的神经元抑制住了小鼠的恐惧。这些CREB蛋白水平高的神经元比起周围细胞拥有更高的电兴奋度,这可能是一种准备好记录信息的状态。

得克萨斯大学神经科学家Alison Preston开展的研究显示,对相关信息进行聚类还能帮助人们利用此前知识学习新事物。在一项2012年的研究中,Preston团队发现,当一些人观看一组图像并在随后观看另一组拥有共同物品的图像时,他们的大脑会重新激活同第一组图像相关的模式。这种再激活似乎将相关的图像组“绑在”一起。在学习期间展现出这种效应的受试者,能在随后更好地辨别出未同时出现的两张图像之间的关联(在上述情形下是篮球和湖泊)。“大脑正在产生代表了超出直接观察范围的信息和知识的连接。”Preston解释说,这一过程可在诸多日常活动中派上用场,比如通过推断一些已知路标之间的空间关系,在不熟悉的环境中导航。同时,将相关信息连接起来从而形成新的想法,对于培养创造性或者想象未来场景也很重要。

不过,抑制记忆只讲了一半的故事,科学家们只有人为制造特定的记忆,才能说明他们真的找到了印迹。

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