作者:宋闻凯 朱玺 来源:科技日报 发布时间:2023/4/16 18:30:32
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大脑的记忆“芯片”在哪里?

 

宋闻凯 科技日报实习记者 朱玺

无论是小朋友第一次记住回家的路,还是在朋友生日的时候第一时间送上祝福。记忆在人类的高级认知活动中无疑拥有不可替代的重要地位,人类之所以能够认识世界和改造世界,关键在于人类大脑有超凡的思维能力和记忆能力。大脑的记忆存储位置在哪儿?大脑如何进行记忆分类检索和控制?

3月31日刊载于美国有线电视新闻网站上的一则研究又将人们的视线拉回记忆这一话题。这项研究中,纽约洛克菲勒大学的研究人员为老鼠开发了一个迷宫实验,试图解开长时记忆的存储之谜。

探秘人类记忆加工厂

从保持时间长短上, 记忆可以分为感觉记忆、短时记忆和长时记忆。人的感觉记忆类似键盘和摄像头,从外界感知到的视觉、听觉等所有刺激在转化为信息之后都会在感觉记忆中登记。它只能保持极短的时间,容量也极为有限。大部分信息在感觉记忆阶段就会消失,少部分信息因得到注意而进入短时记忆并在几分钟内指导人们执行决策,帮助人们完成当下任务。但短时记忆的容量也较为有限。随后, 一些重要的短时记忆被进一步加工,进入长时记忆的仓库,保存几天甚至几年、几十年的时间。长时记忆的容量一般被认为上限很高,甚至没有明显上限。但与短时记忆相比,其回忆和再认是一大难点,也是记忆相关训练着重加强的部分。

那么,这些不同类型的记忆都储存在大脑哪里呢?一般认为,记忆形成信号主要存储在大脑皮层、小脑、海马体和杏仁核等大脑结构中。其中,大脑皮层和海马体是记忆相关的关键部位。位于内侧颞叶的海马区是记忆加工的重要场所,这个海马状结构位于太阳穴向内几厘米,对短时记忆的加工、存储以及长时记忆的提取都尤为重要。记忆能力与海马体的激活、海马中新神经元的产生速度以及海马结构的大小相关。2006年,一项发表于《科学》杂志的研究利用电生理和分子生物学技术解释了为什么内侧颞叶损失之后无法建立新记忆。

随着时间的推移,形成已久的记忆逐渐表现出独立于海马的趋势。20世纪中后期和本世纪初的研究都表明,短时记忆主要由海马组织加工,而长时记忆很大程度上依赖大脑皮层,例如前额叶和前扣带回皮质等联合皮层区域。大脑皮层是整个中枢神经的最高级中枢,其高度进化也是哺乳动物进化的标志。其中位于两眼正中的前额叶皮层与语言记忆等高级认知功能密切相关。海马能处理储存的信息较为有限,因此适合处理短时需要注意的信息,而随着海马与皮层的沟通,短时记忆进入长时记忆,前额叶皮层也不断被激活,长时记忆最终被固化下来。

2021年,复旦大学发表在《自然·通讯》杂志的研究成果进一步显示,长时记忆中的语义记忆和情景记忆拥有一个共用的神经环路,其中左侧额下回和前岛叶皮层与腹内侧前额叶皮层的功能连接减弱与两种记忆提取的更好表现有关。

小鼠助力脑科学研究走向深入

近年来,随着研究深入,我们对记忆的认识有了以下几方面进展:

第一,科学家逐渐意识到,记忆并不是像仓库里的商品一样固定地储存于某个脑区里。“并不是说每段记忆都会被存放在一个细胞里,然后填满整个大脑。”密苏里大学的认知心理学家尼尔森·科万指出。记忆的过程依赖不同大脑结构之间的网状连接,形成具有不同功能的神经环路。受到激发的神经元连成一系列的细胞集群作为信号单位按顺序激发而构成的神经编码,就代表一组记忆。

第二,人们对记忆相关的大脑结构有了更精细化的认识。从海马到大脑皮层之间的神经通路也在逐渐被填补。在文章开头提到的研究中,来自美国洛克菲勒大学的研究人员确定了前端丘脑是连接海马体和大脑皮层的一个大脑区域,是记忆巩固过程的关键。

在这项研究中,为了弄清楚在海马体的短期任务和大脑皮层的长时记忆之间发生了什么,科学家们需要记录大脑连续几周内的活动。现有电生理研究可以同时捕捉多个脑区,但在时间尺度上较为受限。传统的显微镜虽然可以记录数周的大脑活动,但它们一般只能关注大脑的一个狭窄区域。

于是,研究人员开发了一种新的三通路单细胞成像技术,在几周内观察追踪海马体和大脑皮层中间区域中的神经元,以此研究小鼠的记忆如何巩固。他们让小鼠在一个不断旋转的泡沫塑料球上原地跑步,同时观看虚拟现实迷宫,就像超级马里奥游戏中那样。迷宫里有些是高级奖励,有些是消极刺激。一个月后,这些小鼠只记得那些包含奖励的区域。

在这个过程中,研究人员记录小鼠不断的记忆过程并测量其神经回路的差异。他们后续的研究发现前端丘脑这一结构在小鼠的记忆巩固中起着关键作用。在随后的两个实验中,研究人员发现,抑制前端丘脑会破坏小鼠长期记忆的形成。反之,强化前端丘脑会保留原本不会被长期储存的记忆,并使它们继续保持。

北京脑科学与类脑研究中心的博士后研究员赵韶苓表示,这项发现的意义在于它利用新的成像技术在时间和空间尺度上同时进行了突破性拓展,同时也发掘出前端丘脑这个促进记忆由起点向终点转变的“守门员”,为进一步揭示短期记忆与长期记忆的关系打开了突破。

她指出,该研究发现有望在未来应用于与记忆障碍相关的多种神经退行性疾病的诊断与治疗,如阿尔茨海默症、健忘症等。

 
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