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记忆到底储存在大脑的什么地方?

所有的记忆存储设备,从你的大脑到计算机的内存,都是通过改变物理性质来存储信息的。130多年前,神经科学先驱、西班牙病理学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔首次提出,大脑通过重新安排神经元之间的连接——即突触——的方式,来存储信息。

自此之后,神经学家们就试图理解与记忆形成相关的生理变化。不过,将突触可视化并绘制其分布图是一项不小的挑战。首先,突触非常小,而且紧密地聚集在一起——它们大约是标准临床磁共振成像(MRI)所能看到的最小物体的100亿分之一。研究人员经常用小鼠来研究大脑功能,而它们的大脑大约有10亿个突触,颜色和周围组织一样都是不透明或半透明的。

近日,生物科学和生物医学工程的科学家开发了一种新的成像技术,让我们能够绘制记忆形成过程中的突触。他们发现,形成新记忆的过程改变了脑细胞之间的连接方式。大脑的某些区域会产生更多的连接,而另一些区域则会失去这些连接。

绘制鱼的新记忆

此前,研究记忆的科学家更专注于记录神经元产生的电信号。尽管这些研究已经证实,在记忆形成后,神经元会改变它们对特定刺激的反应,但研究人员无法确定是什么驱动了这些变化。

为了研究大脑在形成新记忆时发生物理变化的过程,研究人员绘制了斑马鱼记忆形成前后的突触三维地图。他们选择斑马鱼作为试验对象,因为它们的大脑足够大,拥有像人类一样的大脑功能,但同时又足够小和透明,可以更清晰地研究活体大脑。

为了在斑马鱼大脑内诱导新的记忆,研究人员使用了一种名为“经典条件反射”的学习过程。该过程包括同时将动物暴露在两种不同类型的刺激下:一种是中性的刺激,不会引起动物的反应;另一种则是不愉快的刺激,动物会尽量躲避。当这两种刺激同时出现的次数足够多时,动物对中性刺激的反应就会与对不愉快的刺激一样,表明它已经将这两种刺激结合了起来,形成了联想记忆。

在新研究中,研究人员使用红外激光轻轻加热斑马鱼的头部,作为一种不愉快的刺激。当鱼甩尾时,可以认为是其想要躲避刺激的信号。如果鱼在暴露于一种中性刺激——比如打开一盏灯——的时候甩尾,就意味着它回忆起了之前不愉快的刺激。

为了制作突触的三维分布图,研究人员对斑马鱼的神经元进行了基因改造,使它们产生能够与突触结合的荧光蛋白,从而使突触变得可见。然后,他们用定制的显微镜对突触进行成像,这种显微镜使用的激光剂量比同样使用荧光来成像的标准设备低得多。经过定制之后,这种显微镜对神经元造成的损伤要小得多,从而使研究人员能在不影响突触结构和功能的情况下对其进行成像。

当研究人员比较记忆形成前后的突触三维图像时,他们发现,背侧大脑皮层的前外侧区域的神经元产生了新的突触,而在背侧大脑皮层的前内侧区域,大部分神经元则失去了突触。这意味着新的神经元正在配对,而其他神经元的连接则会被破坏。此前的实验表明,鱼类的背侧大脑皮层可能与哺乳动物的杏仁核类似,是储存恐惧记忆的地方。

令人惊讶的是,与记忆形成有关的神经元之间的现有连接强度变化很小,与对照组中没有形成新记忆的神经元之间的变化难以区分。这意味着,联想记忆的形成会涉及突触的形成和丧失,但与之前认为的不同,现有突触的强度并不会必然发生变化。

移除突触会移除记忆吗?

这种观察脑细胞功能的新方法不仅可以让研究人员更深入了解记忆如何运作,还有望为治疗创伤后应激障碍(PTSD)和成瘾等神经精神疾病开辟潜在途径。

联想记忆往往比其他类型的记忆(比如有意识的陈述性记忆,如昨天午餐吃了什么)要强烈得多。此外,经典条件反射诱发的联想记忆被认为与导致PTSD的创伤性记忆类似。因此,与类似创伤时经历的无害刺激会引发痛苦的回忆,例如明亮的灯光或巨大的噪音可以唤起战斗的记忆。这项新研究揭示了突触连接可能在记忆中发挥的作用,并解释为什么联想记忆比其他类型的记忆更持久、更生动。

目前,治疗PTSD最常见的方法是暴露疗法,即反复将患者暴露在一个无害但却能触发刺激的环境中,从而抑制对创伤事件的回忆。在理论上,这一过程间接改造了大脑的突触,使记忆不那么痛苦。尽管暴露疗法取得了一些成功,但PTSD患者很容易复发,表明导致创伤性反应的潜在记忆并没有被消除。

目前,研究人员还不清楚突触的生成和丧失是否真的推动了记忆的形成。阿诺德的实验室已经开发出一种可以快速、精确移除突触而不损伤神经元的方法,他们计划用类似的方法去除斑马鱼或小鼠大脑的突触,看看这是否会改变联想记忆。

通过这些方法,我们或许可以从生理上抹去PTSD和成瘾症等严重疾病的联想记忆。然而,在考虑这种治疗方法之前,编码联想记忆的突触变化还需要被更精确地定义。而且,研究人员显然还有更严重的道德和技术障碍需要解决。不过,在遥远的未来,利用突触手术消除不好记忆的前景还是很诱人的。(任天)

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