大脑记忆是如何产生的？操控记忆痕迹时代已不远

人类记忆的痕迹真的能被操纵吗？图形自网络

随着脑科学的飞速发展，也许控制人类记忆痕迹的时代离我们不远了。

据国外媒体报道，什么是记忆？1904年，德国生物学家理查德·塞蒙提出了一个观点，指出记忆的痕迹是在一组不连续的脑细胞连接起来后拼凑起来的。他称这种想象中的生理回路为“记忆痕迹”。在接下来的一段时间里，记忆痕迹在科幻小说和“山达基”系统中一直具有顽强的生命力。

然而，仍然需要等到光遗传学技术的发展来证明记忆痕迹的存在。正是有了光激活的“镊子”，科学家们才能够对记忆追踪电路进行详细的分析。2012年，日本生物学家苏姆·托内加瓦在麻省理工学院的实验室首次使用光遗传学技术揭示记忆痕迹的真实存在。

在去年4月发表的一篇论文中，苏苏姆·托尼加瓦的实验室揭示了记忆痕迹是如何在大脑海马体中产生，然后上传并储存在大脑皮层的详细过程。对记忆保存细节的分析为逆转记忆衰竭或记忆过度活跃提供了新的思路和方法。

“原则上，这项研究揭示了我们应该如何处理在创伤后应激障碍(PTSD)中变得过于活跃的细胞，”澳大利亚昆士兰神经科学研究所所长潘卡杰·萨说。“在某种程度上，令人惊讶的是发现这些非常完整的记忆可以如此分散。”

关于人类记忆形成和储存的第一个实验证据可以追溯到1953年。当时，27岁的美国人亨利·莫利森服用了安眠药。为了治疗癫痫，大脑中三分之二的海马体被切除了。令主持手术的外科医生震惊的是，手术摧毁了莫里森在保留原有记忆的同时产生新记忆的能力。

这项计划外的实验表明，海马体是形成新记忆的必要结构，尤其是每天都有丰富背景的“间歇性”记忆，比如你今天早上遛狗时看到的一切。然而，这些详细的记忆并没有储存在海马体中。随着时间的推移，它们将被转移到大脑的外层，大脑皮层。在早期的研究中，如果病人的大脑皮层受到电刺激，他们会唤起特定的记忆。

这些记忆的上传通常与信息的压缩有关，有点类似于我们压缩计算机文件进行长期存储的方式。早期研究人员认为这一过程发生在几天内。这种泛泛的理解直到五年前才改变。当时，由RIKEN脑科学研究所和麻省理工学院联合建立的苏苏姆·托内加瓦实验室使用先进的光遗传学技术将几个近乎神话的想法付诸实践。其中之一是理查德·西蒙的“记忆痕迹”。西蒙认为记忆会在大脑中留下生理痕迹。当大脑受到刺激时，它会回放记忆。

研究人员花了几十年时间才理解神经元通过电脉冲传递信息的机制。从那时起，研究人员已经解码了许多在神经元之间传输的电信号。它还揭示了学习和记忆是如何对应神经元之间突触的加强的。

然而，没有人能够将大脑中特定的一组神经元映射到特定的记忆中。1999年，诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克将他的智慧用于解决大脑难题。他建议，如果要取得突破，也许应该用光脉冲来刺激活体动物的单个神经元。“这听起来很难做到，”克里克写道，“但实际上是可行的。分子生物学家可以设计特定的细胞类型，使其对光敏感。

仅仅六年后，在2005年，斯坦福大学的神经生物学家爱德华·博伊登和卡尔·塞尔罗斯取得了一项突破，甚至让他们吃惊，将光遗传学技术变成了现实。他们首次展示了神经元中绿藻的光敏通道视紫红质，并发现蓝光可以精确控制神经元激活的时间。

研究人员发现，他们可以用病毒作为载体，将光敏通道基因插入单个神经元。他们还确保只有最近形成记忆的细胞才能产生光开关基因。记忆形成细胞产生一种叫做“c-fos”的蛋白质，因此这种修饰基因只能出现在产生c-fos蛋白质的细胞中。

2012年，susumu tonegawa的团队利用这种光遗传学技术证明了恐惧记忆痕迹的存在。一只老鼠被放在一个有独特墙壁图案和地板纹理的“房间”里。无论什么时候把老鼠放进去，它都会受到电的刺激。然后，一旦它被放入这个房间，它会有一个典型的恐惧反应。研究人员还在海马体中发现了一组活跃激活光开关基因的细胞，表明这些细胞参与了记忆的形成。

为了证明这一点，科学家将一根光纤穿过海马体，对准这些细胞。当他们打开光刺激，也就是有节奏的蓝光刺激海马体时，老鼠会有一种恐惧反应，就像重放放入“恐怖室”的记忆一样。这是“记忆痕迹”存在的第一个证据，记忆痕迹是由数百个细胞组成的区域，当受到刺激时会重放记忆。

在新的研究中，研究人员希望观察老鼠海马体中的记忆痕迹是如何随时间变化的。其他研究表明大脑皮层的一小块特殊区域——前额叶皮层——可能是保存恐惧记忆的地方。因此，研究人员用含有光开关基因的病毒感染了前额皮质细胞。

他们发现了一些有趣的结果。和以前一样，一旦老鼠害怕电刺激室，记忆就会被激活，并被来自受刺激海马体的蓝光回放。令人惊讶的是，这种记忆也可以被前额皮质细胞的光刺激激活。因此，从结果来看，记忆痕迹似乎也上传到了前额叶皮层。“这非常令人惊讶，”苏苏姆·托尼加瓦说，“因为这表明大脑皮层的记忆可能是在第一天产生的，而不是像以前认为的那样(在几天内)逐渐形成的。”

然而，当老鼠被放入电刺激室并表现出对记忆的恐惧时，位于前额叶皮层的细胞变得沉默(通过检查分离的脑组织的化学活动来了解)。仅仅几个星期后，当老鼠再次被放入电刺激室时，细胞被重新激活。相反，海马的记忆痕迹已经开始消退。

因此，当涉及长期记忆保存时，首先会在前额叶皮层形成一个沉默的拷贝。在海马体的记忆痕迹逐渐消失的同时，这种记忆也逐渐得到巩固。至于巩固长期记忆的因素，该论文的第一作者北村隆史说，需要进一步的研究来确定这一点。

巩固记忆的另一个关键是前额叶皮层需要同时接收来自海马体和杏仁核的信息输入。杏仁核是大脑的情感中心。当研究人员切断两侧的神经信号输入时(仍在使用光控技术)，大脑皮层的记忆无法巩固。

那么，这项研究的结果对人类有帮助吗？尽管我们不能植入光控开关，但通过植入微电极来打开或关闭大脑的特定区域仍然是可能的，这涉及到一种被称为“深度大脑刺激”的新技术，这种技术已经被用于治疗帕金森氏病等疾病。北村希望有一天能使用类似的技术来操纵大脑中的记忆痕迹，“但首先我们需要把它们画在老鼠身上。"

考虑到脑科学领域的快速发展，也许操纵人类记忆痕迹的时代离我们不远了。