研究人員為老鼠開發(fā)迷宮實(shí)驗(yàn)

　　尋找大腦的記憶存儲(chǔ)“芯片”

　　◎宋聞凱 實(shí)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(shí)候第一時(shí)間送上祝福，在人類的高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)中，記憶無疑擁有不可替代的重要地位——人類之所以能夠認(rèn)識(shí)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(chǔ)“芯片”在哪兒？大腦如何進(jìn)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(xiàng)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(gè)迷宮實(shí)驗(yàn)，試圖解開長時(shí)記憶的存儲(chǔ)之謎。

　　探秘人類記憶加工廠

　　從保持時(shí)間長短上看， 記憶可以分為感覺記憶、短時(shí)記憶和長時(shí)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(huì)在感覺記憶中登記。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(nèi)指導(dǎo)人們執(zhí)行決策，幫助人們完成當(dāng)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)入長時(shí)記憶的“倉庫”，保存幾天甚至幾年、幾十年的時(shí)間。長時(shí)記憶的容量一般被認(rèn)為上限很高，甚至沒有明顯上限。但與短時(shí)記憶相比，其回憶和再認(rèn)是一大難點(diǎn)，也是記憶相關(guān)訓(xùn)練著重加強(qiáng)的部分。

　　那么，這些不同類型的記憶都儲(chǔ)存在大腦的哪個(gè)區(qū)域呢？

　　一般認(rèn)為，記憶形成信號(hào)主要存儲(chǔ)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(chǎng)所，這個(gè)海馬狀結(jié)構(gòu)位于太陽穴向內(nèi)幾厘米，對(duì)短時(shí)記憶的加工、存儲(chǔ)以及長時(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(jié)構(gòu)的大小相關(guān)。2006年，一項(xiàng)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(shí)間的推移，形成已久的記憶逐漸表現(xiàn)出獨(dú)立于海馬體的趨勢(shì)。20世紀(jì)中后期和本世紀(jì)初的研究都表明，短時(shí)記憶主要由海馬組織加工，而長時(shí)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(gè)中樞神經(jīng)的最高級(jí)中樞，其高度進(jìn)化也是哺乳動(dòng)物進(jìn)化的標(biāo)志。其中位于兩眼正中間的前額葉皮層與語言記憶等高級(jí)認(rèn)知功能密切相關(guān)。海馬體能處理儲(chǔ)存的信息較為有限，因此適合處理短時(shí)需要注意的信息，而隨著海馬體與皮層的溝通，短時(shí)記憶進(jìn)入長時(shí)記憶，前額葉皮層也不斷被激活，長時(shí)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(jìn)一步顯示，長時(shí)記憶中的語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(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(duì)記憶的認(rèn)識(shí)有了以下幾方面進(jìn)展。

　　首先，科學(xué)家逐漸意識(shí)到，記憶并不是像倉庫里的商品一樣固定地儲(chǔ)存在某個(gè)腦區(qū)里。“并不是說每段記憶都會(huì)被存放在一個(gè)細(xì)胞里，然后填滿整個(gè)大腦。”美國密蘇里大學(xué)的認(rèn)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(gè)個(gè)信號(hào)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(duì)與記憶相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)有了更精細(xì)化的認(rèn)識(shí)。從海馬體到大腦皮層之間的神經(jīng)通路也在逐漸被填補(bǔ)。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(gè)大腦區(qū)域——前端丘腦，是記憶鞏固過程的關(guān)鍵。

　　在這項(xiàng)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(shí)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(dòng)。現(xiàn)有的電生理研究可以同時(shí)捕捉多個(gè)腦區(qū)，但在時(shí)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(dòng)，但它們一般只能關(guān)注大腦的一個(gè)狹窄區(qū)域。

　　于是，研究人員開發(fā)了一種新的三通路單細(xì)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(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的泡沫塑料球上原地跑步，同時(shí)觀看虛擬現(xiàn)實(shí)迷宮，就像超級(jí)馬里奧游戲中那樣。迷宮里有些是高級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，有些是消極刺激。一個(gè)月后，這些小鼠只記得那些包含獎(jiǎng)勵(lì)的區(qū)域。

　　在這個(gè)過程中，研究人員不斷記錄小鼠的記憶過程并測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，抑制前端丘腦會(huì)破壞小鼠長期記憶的形成。反之，強(qiáng)化前端丘腦會(huì)保留原本不會(huì)被長期儲(chǔ)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(xiàng)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(zhuǎn)變的“守門員”，為進(jìn)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。