研究:大脑中的记忆储存可能存在于脑细胞之间的连接中

所有的存储设备--从你的大脑到你电脑中的RAM--都是通过改变其物理品质来存储信息的。130多年前,开拓性神经科学家Santiago Ramón y Cajal首次提出,大脑通过重新安排神经元之间的连接或突触来存储信息。

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从那时起,神经科学家们就试图了解跟记忆形成相关的物理变化。但将突触可视化并绘制成图是具有挑战性的工作。首先,突触是非常小的且紧紧地挤在一起。它们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,在研究人员经常用来研究大脑功能的小鼠大脑中,约有10亿个突触,而它们的颜色跟周围的组织一样,都是不透明到半透明的。

然而,来自南加州大学多恩西夫文学、艺术和科学学院的Don Arnold及其同事开发的一种新成像技术可以让他们能在记忆形成过程中绘制突触图。他们发现,形成新记忆的过程改变了脑细胞彼此之间的连接方式。当大脑的一些区域产生更多的连接时另一些区域则失去了这些连接。

绘制鱼的新记忆图

以前,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,在记忆形成后,神经元改变了对特定刺激的反应,但他们无法确定是什么驱动这些变化。

为了研究大脑在形成新记忆时如何发生物理变化,Arnold他们创建了记忆形成前后条纹鱼突触的3D地图。而之所以选择条纹鱼作为测试对象是因为它们足够大,拥有像人一样的大脑功能,但又足够小和透明,这可以提供一个了解活体大脑的窗口。

为了在鱼体内诱发新的记忆,研究人员使用了一种叫做古典条件反射的学习过程。这包括让动物同时接触两种不同类型的刺激: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不愉快的刺激。当这两种刺激配对的次数足够多时,动物就会对中性刺激作出反应,就像它是不愉快的刺激一样,这表明它已经形成了将这些刺激联系在一起的联想记忆。

作为一个不愉快的刺激,他们用红外激光轻轻地加热鱼的头部。当鱼甩动它的尾巴时,研究人员认为这是它想逃跑的暗示。当鱼被暴露在一个中性刺激下,即一盏灯打开时,尾巴摇动意味着它在回忆以前遇到不愉快的刺激时发生的事情。

为了创建地图,研究人员对条纹鱼进行了基因改造从而使其具有产生荧光蛋白的神经元,这些荧光蛋白跟突触结合并使其可见。然后通过使用一个定制的显微镜对突触进行成像,该显微镜使用的激光剂量比使用荧光生成图像的标准设备要低得多。由于显微镜对神经元造成的损害较小,研究人员得以在不损失其结构和功能的情况下对突触进行成像。

当比较记忆形成前后的三维突触图时,他们发现一个大脑区域,即前外侧背板的神经元发展了新的突触,而主要在第二个区域,即前内侧背板的神经元则失去了突触。这意味着新神经元在一起配对,而其他神经元则破坏了它们的联系。以前的实验表明,鱼的背掌可能类似于哺乳动物的杏仁核,那里储存着恐惧记忆。

令人惊讶的是,随着记忆形成而发生的神经元之间现有连接强度的变化很小,跟没有形成新记忆的对照鱼的变化无法区分。这意味着,形成联想记忆涉及突触的形成和丧失,但不一定像以前认为的那样,现有突触的强度发生变化。

移除突触可以消除记忆吗?

这种观察脑细胞功能的新方法不仅可以为深入了解记忆的实际运作方式打开大门,而且还可以为治疗神经精神疾病如PTSD提供潜在的途径。

联想记忆往往比其他类型的记忆要强得多,比如关于你昨天午餐吃了什么的有意识记忆。此外,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。否则,跟某人在创伤时经历的类似的无害刺激会引发对痛苦记忆的回忆,比如一束亮光或一声巨响可以唤起人们对战斗的记忆。新研究揭示了突触连接在记忆中可能发挥的作用并可以解释联想记忆比其他类型的记忆持续时间更长、记得更生动的原因。

目前,治疗PTSD最常见的方法是暴露疗法,包括反复让病人接触无害但会触发的刺激以抑制对创伤事件的回忆。在理论上,这间接地重塑了大脑的突触,从而使记忆不那么痛苦。尽管暴露疗法取得了一些成功,但病人很容易复发。这表明导致创伤性反应的潜在记忆并没有被消除。

突触的产生和丧失是否真正推动了记忆的形成仍是一个未知数。Arnodl的实验室已经开发了能够快速、精确地移除突触而不损害神经元的技术。他们计划使用类似的方法来移除条纹鱼或小鼠的突触,看看这是否会改变联想记忆。

也许有可能用这些方法从物理上消除作为PTSD和成瘾等破坏性疾病基础的关联记忆。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被更精确地定义。并且显然还有严重的伦理和技术障碍需要解决。然而,想象一下突触手术可以消除坏记忆的遥远未来还是非常诱人的。

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