研究人員為老鼠開(kāi)發(fā)迷宮實(shí)驗

　　尋找大腦的記憶存儲“芯片”

　　◎宋聞凱 實(shí)習記者 朱 璽

　　無(wú)論是小朋友第一次記住回家的路，還是在朋友生日的時(shí)候第一時(shí)間送上祝福，在人類(lèi)的高級認知活動(dòng)中，記憶無(wú)疑擁有不可替代的重要地位——人類(lèi)之所以能夠認識世界和改造世界，關(guān)鍵在于人類(lèi)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(jìn)行記憶分類(lèi)檢索和控制？

　　3月31日刊載于美國有線(xiàn)電視新聞網(wǎng)站上的一則研究將人們的視線(xiàn)拉回記憶這一話(huà)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(kāi)發(fā)了一個(gè)迷宮實(shí)驗，試圖解開(kāi)長(cháng)時(shí)記憶的存儲之謎。

　　探秘人類(lèi)記憶加工廠(chǎng)

　　從保持時(shí)間長(cháng)短上看， 記憶可以分為感覺(jué)記憶、短時(shí)記憶和長(cháng)時(shí)記憶。人的感覺(jué)記憶類(lèi)似鍵盤(pán)和攝像頭，從外界感知到的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等所有刺激在轉化為信息之后都會(huì )在感覺(jué)記憶中登記。它只能保持極短的時(shí)間，容量也極為有限。大部分信息在感覺(jué)記憶階段就會(huì )消失，少部分信息因得到注意而進(jìn)入短時(shí)記憶并在幾分鐘內指導人們執行決策，幫助人們完成當下的任務(wù)。但短時(shí)記憶的容量也較為有限。隨后，一些重要的短時(shí)記憶被進(jìn)一步加工，進(jìn)入長(cháng)時(shí)記憶的“倉庫”，保存幾天甚至幾年、幾十年的時(shí)間。長(cháng)時(shí)記憶的容量一般被認為上限很高，甚至沒(méi)有明顯上限。但與短時(shí)記憶相比，其回憶和再認是一大難點(diǎn)，也是記憶相關(guān)訓練著(zhù)重加強的部分。

　　那么，這些不同類(lèi)型的記憶都儲存在大腦的哪個(gè)區域呢？

　　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構中。其中，大腦皮層和海馬體是與記憶相關(guān)的關(guān)鍵部位。位于內側顳葉的海馬區是記憶加工的重要場(chǎng)所，這個(gè)海馬狀結構位于太陽(yáng)穴向內幾厘米，對短時(shí)記憶的加工、存儲以及長(cháng)時(shí)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構的大小相關(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)，解釋了內側顳葉損失之后人類(lèi)無(wú)法建立新記憶的原因。

　　隨著(zhù)時(shí)間的推移，形成已久的記憶逐漸表現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(shí)記憶主要由海馬組織加工，而長(cháng)時(shí)記憶很大程度上依賴(lài)大腦皮層，例如前額葉和前扣帶回皮質(zhì)等聯(lián)合皮層區域。大腦皮層是整個(gè)中樞神經(jīng)的最高級中樞，其高度進(jìn)化也是哺乳動(dòng)物進(jìn)化的標志。其中位于兩眼正中間的前額葉皮層與語(yǔ)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(shí)需要注意的信息，而隨著(zhù)海馬體與皮層的溝通，短時(shí)記憶進(jìn)入長(cháng)時(shí)記憶，前額葉皮層也不斷被激活，長(cháng)時(shí)記憶最終被固化下來(lái)。

　　2021年，復旦大學(xué)學(xué)者發(fā)表在《自然·通訊》雜志的研究論文進(jìn)一步顯示，長(cháng)時(shí)記憶中的語(yǔ)義記憶和情景記憶擁有一個(gè)共用的神經(jīng)環(huán)路，二者更好的提取可能跟左側額下回和前島葉皮層等區域與腹內側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(lái)，隨著(zhù)研究深入，我們對記憶的認識有了以下幾方面進(jìn)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(gè)腦區里。“并不是說(shuō)每段記憶都會(huì )被存放在一個(gè)細胞里，然后填滿(mǎn)整個(gè)大腦。”美國密蘇里大學(xué)的認知心理學(xué)家尼爾森·科萬(wàn)指出。記憶的過(guò)程依賴(lài)不同大腦結構之間的網(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(gè)個(gè)信號單位，它們按順序被激發(fā)而構成的神經(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)的大腦結構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(kāi)頭提到的研究中，來(lái)自美國洛克菲勒大學(xué)的研究人員發(fā)現連接海馬體和大腦皮層的一個(gè)大腦區域——前端丘腦，是記憶鞏固過(guò)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(cháng)時(shí)記憶之間發(fā)生了什么，科學(xué)家們需要記錄大腦連續幾周內的活動(dòng)。現有的電生理研究可以同時(shí)捕捉多個(gè)腦區，但在時(shí)間尺度上較為受限。傳統的顯微鏡雖然可以記錄數周的大腦活動(dòng)，但它們一般只能關(guān)注大腦的一個(gè)狹窄區域。

　　于是，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的三通路單細胞成像技術(shù)，在幾周內觀(guān)察追蹤海馬體和大腦皮層中間區域中的神經(jīng)元，以此研究小鼠的記憶如何鞏固。他們讓小鼠在一個(gè)不斷旋轉的泡沫塑料球上原地跑步，同時(shí)觀(guān)看虛擬現實(shí)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(gè)月后，這些小鼠只記得那些包含獎勵的區域。

　　在這個(gè)過(guò)程中，研究人員不斷記錄小鼠的記憶過(guò)程并測量其神經(jīng)回路的差異。他們后續的研究發(fā)現，前端丘腦這一結構在小鼠的記憶鞏固中起著(zhù)關(guān)鍵作用。在隨后的兩個(gè)實(shí)驗中，研究人員發(fā)現，抑制前端丘腦會(huì )破壞小鼠長(cháng)期記憶的形成。反之，強化前端丘腦會(huì )保留原本不會(huì )被長(cháng)期儲存的記憶，并使它們繼續保持下去。

　　北京腦科學(xué)與類(lèi)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(shí)間和空間尺度上同時(shí)進(jìn)行了突破性拓展，同時(shí)也發(fā)掘出前端丘腦這個(gè)促進(jìn)記憶由起點(diǎn)向終點(diǎn)轉變的“守門(mén)員”，為進(jìn)一步揭示短期記憶與長(cháng)期記憶的關(guān)系打開(kāi)了突破口。

　　她指出，該研究有望在未來(lái)應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。