脑科学知识分享:记忆储存在大脑的什么地方?

@Samuel Smith

所有的存储设备,从你的大脑到电脑的RAM,都是通过改变它们的物理特性来存储信息的。130多年前,神经学家先驱圣地亚哥·卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)首次提出,大脑通过重新排列神经元之间的连接或突触来存储信息。

从那时起,神经科学家就试图了解与记忆形成相关的物理变化。但可视化和映射突触是一项具有挑战性的工作。首先,突触非常小,它们紧密地聚集在一起。

它们大约比标准临床核磁共振成像所能看到的最小物体小100亿倍。此外,研究人员经常用小鼠的大脑来研究大脑功能,在小鼠的大脑中,大约有10亿个突触,它们和周围的组织一样,都是不透明到半透明的颜色。

记忆储存在大脑的什么地方?新的研究表明,它们可能存在于...

@Getty Images,突触包括传递神经元的末端,接收神经元的起始,以及它们之间的微小间隙。

最近,研究人员开发的一种新的成像技术,让他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相互连接的方式。虽然大脑的一些区域产生了更多的连接,但另一些区域则失去了这些连接。

▎绘制小鱼的新记忆

此前,研究人员专注于记录神经元产生的电信号。虽然这些研究已经证实,神经元在记忆形成后会改变它们对特定刺激的反应,但它们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是如何发生物理变化的,团队成员创建了斑马鱼记忆形成前后突触的3D地图。之所以选择斑马鱼作为实验对象,是因为它们足够大,拥有和人类一样的大脑,但又足够小,足够透明,可以让研究人员打开思路,观察到处于活跃状态下的大脑。

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@BY-NC-ND,斑马鱼尤其适合作为神经科学研究的模型。

为了诱导小鱼产生新的记忆,研究人员使用了一种叫做经典条件反射的学习过程。这包括将动物同时放置在两种不同类型的刺激下:一种是不会引起反应的中性刺激,另一种是动物试图避免的,令它们感到不舒服的刺激。

当这两种刺激配对次数足够多时,动物就会对中性刺激做出反应,就好像它是不舒服的刺激一样,这表明它已经形成了将这两种刺激结合在一起的联想记忆

作为一种不舒服的刺激,研究人员用红外激光轻轻地加热鱼的头部。当鱼甩尾巴时,就认为这是它想逃跑的迹象。当小鱼处在中性刺激下时,灯打开,尾巴摆动,意味着它在回忆之前遇到不愉快的刺激时发生了什么。

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@BY-NC-ND,巴甫洛夫的狗是经典条件反射中最著名的例子,狗在听到铃声时会分泌唾液,因为它已经在铃声和食物之间形成了联想记忆。

为了绘制这些图谱,研究人员对斑马鱼进行了基因改造,让它们的神经元产生荧光蛋白,这些蛋白结合在突触上,使它们可见。

随后再用一种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使用荧光产生图像的标准设备要低得多。因为研究人员的显微镜对神经元造成的损伤较小,所以能够在不失去突触结构和功能的情况下成像。

在比较记忆形成前后的3D突触图谱时,他们发现一个大脑区域,即前外侧背侧皮层(pallium),神经元发育出新的突触,则主要位于第二个区域,即前内侧背侧皮层的神经元则失去了突触。

这意味着新的神经元配对在一起,而其他神经元则破坏了它们的连接。先前的实验表明,鱼类的背皮层可能类似于哺乳动物的杏仁核,那里储存着不好的记忆。

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@BY-NC-ND,这张图片展示了活鱼大脑中的神经元,其中的突触被涂成绿色。

令人惊讶的是,与记忆形成有关的神经元之间现有连接强度的变化很小,与没有形成新记忆的对照组鱼的变化没有区别。这意味着,形成联想记忆包括突触的形成和丢失,但并不一定像之前认为的那样,改变现有突触的强度。

▎移除突触能移除记忆吗?

研究人员观察脑细胞功能的新方法,不仅可以让我们更深入地了解记忆实际上是如何工作的,还可以为治疗创伤后应激障碍和成瘾等神经精神疾病开辟潜在的途径

联想记忆往往比其他类型的记忆要强烈得多,比如关于你昨天午餐吃了什么的有意识记忆。此外,由经典条件反射诱发的联想记忆被认为类似于导致PTSD的创伤性记忆。其他无害的刺激类似于人们在创伤时所经历的,可以触发痛苦的回忆。

目前,创伤后应激障碍最常见的治疗方法是环境疗法,即反复将患者置于无害但能触发刺激的环境中,以抑制对创伤事件的回忆。

从理论上而言,这间接地重塑了大脑的突触,使记忆不那么痛苦。虽然环境疗法取得了一些进展,但患者容易复发。这表明导致创伤反应的潜在记忆并没有被消除

目前还不清楚突触的产生和丢失是否真的推动了记忆的形成。但有实验室已经开发出一种技术,可以在不损害神经元的情况下快速准确地移除突触。他们计划使用类似的方法去除斑马鱼或小鼠的突触,以观察这是否会改变联想记忆。

或许可以用这些方法,从物理上消除造成创伤后应激障碍和成瘾等毁灭性疾病的联想记忆。然而,在考虑这种治疗方法之前,编码联想记忆的突触变化需要得到更精确的定义。或许有一天,突触手术可以消除不好的记忆。

文章资料:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15121-2;

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4930-03.2004;

https://www.verywellmind.com/what-is-associative-memory-5198601;

https://blogs.scientificamerican.com/thoughtful-animal/what-is-classical-conditioning-and-why-does-it-matter/;

https://theconversation.com/where-are-memories-stored-in-the-brain-new-research-suggests-they-may-be-in-the-connections-between-your-brain-cells-174578

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