看到记忆的印迹:神经科学家们如何定位、唤醒甚至偷换记忆

澎湃新闻记者 虞涵棋

2018-01-15 21:31 来源:澎湃新闻

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《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?
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。
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。
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。
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

“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。”
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。
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。
寻找“印迹”
“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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
标记、唤醒和抑制小鼠的恐惧记忆

2012年,麻省理工学院的Susumu Tonegawa团队将海马体中的神经元作了光敏标记处理。他们给予小鼠足部电击,相关的神经元应激产生大量光敏蛋白质,这样,研究者就能找到组成印迹的那些。研究者们再用激光激活这些神经元,就唤醒了小鼠的痛苦记忆。
Tonegawa团队还做了一个“移花接木”的后续实验,他们将小鼠放在“电击箱”中给予电击,同时激活“安全箱”的印迹神经元。当研究人员把小鼠放回到“安全箱”中,它们吓得一动不动。这说明,小鼠的恐惧记忆被成功地“偷换”了。
在这些实验中,科学家们成功地定位到了特定的神经元。不过,这些海马体和杏仁体中的细胞只是组成整体印迹的一小部分。声音-足部电击的恐惧性联想,涉及到视觉、嗅觉、听觉等无数感知系统,Silva猜测,有10到30个大脑部位参与其中。
勾勒轮廓
脑部成像技术的发展使科学家们得以勾勒记忆印迹的整体轮廓。功能性磁共振成像(fMRI)不能分辨单个神经元,但能显示跨越大脑不同部位的神经活动。fMRI传统上被用于寻找与特定任务关联最强的大脑区域,现在,神经科学家们用它分析人们回忆特定经历时的特征性迹象和全脑活动。宾夕法尼亚大学的神经科学家Michael Kahana说道:“这是认知神经科学最重大的革命之一。”
多体素图样分析(MVPA)则是这场革命的催化剂,也被称为大脑解码器。输入fMRI的图像数据后,算法就能自动学习与特定想法或经历相关的神经元特征。
范德比特大学的神经科学家Sean Polyn主导了一项极具启发意义的人类实验。志愿者们被要求观察名人、地点和日常物体的图片, fMRI全程收集脑部图像数据,输入计算机,识别与每种东西相关的脑补活动特征。
接着,志愿者们躺在成像仪中说出他们能够记起的所有东西,结果是,在他们说出那个名词前几秒,脑部就出现了相关的特征。这个实验首次直接证明了,当人类回想特定的记忆,大脑会再现相同的活动。
本文开头的“神探夏洛克”研究,就是受此启发的细化研究。Chen发现,《神探夏洛克》第一集中的50个场景都有特征性的脑部活动,可以彼此区分开来。而尽管大家回忆起某个场景时的理解和视角不同,但他们在海马体、后内侧皮层等高级处理区的特征是一样的,甚至,并没有看过这一集,但听别人说过的人,也有相似的脑部特征。
这些细化研究表明,记忆的过程虽然十分复杂,但不同人的记忆方式其实颇为相似。
记忆融合
用新技术勾勒记忆印迹的轮廓后,科学家们开始研究记忆之间的联系,和记忆随时间的变化。
纽约大学的神经科学家Lila Davachi正用MVPA研究大脑是如何对内容有重叠的记忆进行分类。在2017年的一项实验中,他给志愿者们展示了128个物体的图片,每样物体匹配4种场景中的一种。比如马克杯和键盘匹配沙滩场景,雨伞匹配城市场景。每种物体只会出现在一种场景中,一个场景却可匹配多个物体。
一开始,当志愿者们回想每个物体归属哪个场景,每次都展现出特征性的大脑活动特征。一周后,与同一个场景匹配的物体引发的脑部活动开始趋同。显然,大脑按照场景对这些记忆进行了组织。“这个实验展现了学习‘核心’信息的第一步。” Davachi说道。
这也能帮助人类利用已有的知识学习新事物。得州大学的Alison Preston在2012年进行了一项实验,当志愿者们先观看一张有篮球和马的照片,再观看一张有马和湖泊的照片,有一部分人的脑部活动重现了观看第一张图片时的特征。这部分人能更快地识别有相同物体的新图片,比如篮球和湖泊在一起的图片。
大脑这种建立联想的能力,帮助人类处理很多日常活动,比如通过几个已知地标在陌生的环境里认路。
在后续的实验中,Preston还发现当短期内获得了若干记忆,它们最后会融合在一起。Silva也得出了相同的结论。实验人员在一个笼子里对小鼠实施足部电击后,它们对之前几小时内待过的笼子也心生恐惧。分析发现,编码了一种记忆的神经元会保持至少5小时的高度兴奋,制造记忆印迹重叠的时间窗。
我们由此对个体记忆形成整体世界观的神经学机制有了更多的了解。Josselyn说道:“我们的记忆不是一座座信息的孤岛。我们会建立概念,联想具有相同线索的事物。”
这种灵活性也有代价,就是记忆会被扭曲,部分记忆细节在抽象化归档的过程中丢失。“记忆是不稳定的。”Preston说道。
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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