美研究人员寻找记忆的痕迹

来源:安迪·波兹

对于那些不太喜欢夏洛克的人来说，认知神经科学家陈嘉欣比大多数人更了解BBC热门侦探剧。当观众观看电视连续剧的第一集，然后描述它的情节时，陈灿借助大脑扫描仪监视他们头脑中正在发生的事情。

陈是美国约翰·霍普金斯大学的研究员。她在场景的早期听到了对情节的各种描述，其中一个女人和以在停尸房表现冷漠而闻名的侦探调情。一些人认为夏洛克·福尔摩斯很粗鲁，而另一些人认为他没有注意到这个女人略带紧张的调情。然而，当扫描观众的大脑时，陈和他的同事发现了一个奇怪的现象:当不同的人讲述他们对同一场景的描述时，他们的大脑产生了极其相似的活动模式。

越来越多的研究人员利用大脑成像来识别与创建和回忆特定记忆相关的活动模式，陈就是其中之一。在过去的10年里，人类和动物神经科学领域的强大技术创新使研究人员能够揭示个体记忆是如何形成、组织和相互作用的基本规律。

寻找脚印

单一记忆(也称为印记)的痕迹从未被追踪过。美国心理学家卡尔·拉施里是最早从事这项研究的研究者之一，他的大部分职业生涯都致力于这项探索。从1916年开始，他训练老鼠穿过迷宫，然后破坏它们大脑的外表面，即大量大脑皮层。之后，拉什利又把老鼠放进了迷宫。总的来说，受损的脑组织没有多大区别。年复一年，鼠标记忆的物理位置变得难以捉摸。拉什利在1950年总结这项雄心勃勃的任务时写道:“当检查记忆痕迹位置的证据时，我有时觉得必要的结论是学习是不可能的。”

事实证明，记忆是一个分布式过程，不属于大脑的任何区域。不同类型的记忆涉及大脑的不同区域。许多对编码和提取记忆至关重要的结构，如海马体，位于大脑皮层之外，而Lashley并没有在很大程度上注意到它们。今天，大多数神经科学家认为，特定的经历会触发这些区域细胞亚群的释放，改变它们的基因表达，形成新的联系，并改变现有联系的强度。这些变化一起储存记忆。根据现有的理论，当这些神经元再次放电并重放与过去经历相关的活动模式时，记忆就会出现。

然而，测试关于神经元群如何储存和提取特定信息的更高层次理论仍然具有挑战性。只有在过去的十年里，随着标记、激活和沉默动物特定神经元的新技术的出现，研究人员才能弄清楚哪些神经元构成了单一记忆。

加拿大多伦多儿童医院的神经科学家贾芳·乔赛林是帮助领导研究浪潮的科学家之一。她的一些早期研究捕捉到了老鼠身上的印记神经元。2009年，Josselyn和他的团队在杏仁核(与恐惧管理相关的大脑区域)的一些细胞中增加了被称为CREB的关键记忆蛋白的水平，并证实当老鼠学习并回忆起将听觉音调与足底冲击联系在一起的可怕经历时，这些神经元最有可能放电。研究人员得出结论，如果这些CREB水平升高的细胞是恐惧印记的重要组成部分，消除它们将“抹去”与音调相关的记忆，并消除老鼠对它的恐惧。为此，研究小组用一种毒素杀死了这些神经元。研究发现老鼠会永远忘记他们的恐惧。

技术进步促进变革

人类大脑成像技术的进步使得研究人员能够缩小并观察构成印记的大脑活动范围。功能性磁共振成像是最广泛使用的技术，它不能对单个神经元成像，但可以显示不同脑区的各种活动。传统上，功能磁共振成像被用来选择对各种任务反应最强烈的区域。然而，近年来，强有力的分析揭示了人们回忆特定经历时不同的大脑活动模式。"这是认知神经科学领域最重要的变化之一."宾夕法尼亚大学的神经科学家Michael Kahana说。

一种叫做多体素模式分析(MVPA)的技术的发展为这种变化提供了催化剂。这种统计方法有时被称为解码大脑，通常将功能磁共振成像数据输入计算机程序，该程序自动学习与特定想法或经验相关的神经模式。2005年，仍然是研究生的肖恩·波隆(现为范德比尔特大学神经学家)帮助领导了一项开创性的研究，该研究首次将MVPA应用于人类记忆分析。在实验中，志愿者研究了名人的照片、地点和常见物品。利用在此期间收集的功能磁共振成像数据，研究人员训练计算机程序来识别与每一类研究相关的活动模式。

然后，当受试者躺在扫描仪上，列出他们能记住的所有项目时，分类的神经特征会在反应前几秒钟内重新出现。例如，在给一个名人命名之前，会出现一个“类似星星”的活动模式，包括激活处理脸部的皮质区域。这是一个直接的证据，表明当人们提取特定的记忆时，大脑会重新审视信息被编码的状态。"这是一篇非常重要的论文。"陈说:“我认为我的工作是这项研究的一个直接分支。”

融合记忆

随着新技术增加了对印记的理解，科学家不仅开始研究个体记忆是如何形成的，而且开始关注记忆是如何随着时间的推移而相互作用和变化的。

在纽约大学，神经科学家莱拉·达沃奇正在利用MVPA研究大脑如何对共享重叠内容的记忆进行分类。2017年，在与阿列克谢·托姆帕里(当时是达沃奇实验室的研究生)合作进行的一项研究中，他们向志愿者展示了128个物体的照片。每个对象与四个场景中的一个配对。例如，海滩风景伴随着杯子，城市风景与雨伞搭配。每个对象只在一个场景中同时出现，但是许多不同的对象在同一个场景中出现。起初，当志愿者将物体与相应的场景配对时，每个物体都会触发不同的大脑激活模式。但是一周后，在这个回忆任务中出现的神经模式变得更加类似于与同一个场景配对的物体。大脑根据共享的场景信息重新组织记忆。"这种聚类代表了学习关键信息的开始."达瓦奇说。

德克萨斯大学的神经科学家艾莉森·普雷斯顿的研究表明，聚集相关信息也可以帮助人们利用以前的知识学习新事物。在2012年的一项研究中，普雷斯顿的团队发现，当一些人观看一组图像(如篮球和马)，然后观看另一组带有共同物品的图像(如马和湖)时，他们的大脑会重新激活与第一组图像相关的模式。这种重新激活似乎将相关的图像组“捆绑”在一起。在研究中表现出这种效果的受试者能够更好地识别两个没有同时出现的图像之间的联系(在上面的例子中是篮球和湖)。"大脑正在产生联系，这些联系代表着直接观察之外的信息和知识."普雷斯顿解释说，这一过程可以用于许多日常活动中，例如通过推断一些已知地标之间的空间关系，在不熟悉的环境中导航。同时，将相关信息联系起来形成新的想法对于培养创造力或想象未来场景也很重要。(宗华编译)

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