基础医学

麻省理工学院最新突破性研究揭示人脑回忆机制

作者:佚名 来源:DeepTech 深科技 日期:2017-08-20
导读

          人类的大脑是一个很神奇的器官,每当我们经历过新鲜事物后,由这些新的体验和印象所形成的全新记忆就会被储存到我们大脑的海马体以及与其他脑部组织连接的神经回路中。就像计算机中的信息分类一样,不同的神经元集群也会储存记忆的不同方面——例如,在事件发生的不同地点和时间,我们所产生的情感就被储存在不同的神经元中。

关键字:  人脑回忆机制 

        人类的大脑是一个很神奇的器官,每当我们经历过新鲜事物后,由这些新的体验和印象所形成的全新记忆就会被储存到我们大脑的海马体以及与其他脑部组织连接的神经回路中。就像计算机中的信息分类一样,不同的神经元集群也会储存记忆的不同方面——例如,在事件发生的不同地点和时间,我们所产生的情感就被储存在不同的神经元中。

        一直以来,研究记忆的神经科学家们认为,当我们进行回忆时,大脑所开启的海马体回路与最初形成记忆时所激活的回路是相同的。然而,根据麻省理工学院神经科学家们的最新研究发现,这种“想当然”的认知并不符合实际情况,人类的大脑原来是通过在原有记忆回路上的一个“分支回路”来进行回忆的。

        这次具有突破性的论文发表在 8 月 17 日的《细胞》科学期刊的电子版上。麻省理工学院的 Susumu Tonegawa 教授、Dheeraj Roy 博士以及研究科学家北村隆 Takashi Kitamura 是该论文的主要作者,其他作者包括麻省理工学院的博士后 Teruhiro Okuyama 和 Sachie Ogawa 以及研究生孙辰(Chen Sun,音译)。来自麻省理工学院神经回路遗传研究中心的 Yuichi Obata 和 Atsushi Yoshiki 也参与了此论文的写作。

        尽管科学家早就在线虫等动物的身上发现了这种“分支回路”,包括在去年发表的一项研究中就发现了秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)内有类似的回忆回路。但对于脊椎动物而言,这次发现还是第一次。

        为什么海马体需要两个不同的回路去形成记忆和回忆呢? 研究人员认为有两个可能性: 其一可能性是,两个回路的交互会使编辑记忆和更新记忆变得更容易——回忆回路被激活的同时,记忆形成回路能够添加新的信息。

        “我们认为,拥有这些并行的脑回路有助于动物先回忆,再在需要时对新信息进行编码,”参与此次研究的 Dheeraj Roy 博士表示。 “这就像当我们回想起以前的事件时,关于那件事的新内容将会被编入现有的记忆中。”

        另一个可能就是会帮助刺激长期压力反应。研究人员发现,下托(subiculum,海马体中尚未被了解的一个区域)会连接到下丘脑中的一对叫做乳头状体(mammillary bodies)的组织,这能刺激人体释放一种叫皮质激素的压力荷尔蒙,这种荷尔蒙在人们想到害怕的回忆后还会释放至少一个小时。

        参与这项研究的 Susumu Tonegawa (利根川进)教授评价说,“此研究解决了大脑研究领域中的一个基本问题:碎片记忆的形成与找回,而且研究所得的证据也佐证了一个出人意料的结论:记忆的形成与回忆所通过的神经回路是不一样的。”

        Susumu Tonegawa 是麻省理工学院皮考尔学习记忆研究所(Picower Institute for Learning and Memory)的生物与神经科学教授、 也是麻省理工学院神经回路遗传研究中心(RIKEN-MIT Center)的负责人。

        作为大脑中掌管着与记忆相关的部分,海马体的大部分区域功能已广为人知,但人们对于最为神秘的下托(subiculum)区域还是所知寥寥。为了作出进一步研究,Susumu Tonegawa 使用光遗传学技术对小鼠进行了遗传改造,就可以用光控的方式打开或关闭小鼠的下托神经元。

        在恐惧条件反射实验中,研究人员把小鼠置于一个特制的试验间里,并对其进行轻微电击,以此方法来控制小鼠的记忆细胞。

        研究表明,这些记忆的编码涉及一个称为 CA1 的海马体细胞,它会将信息放到一个叫做内嗅皮质的大脑结构中。 每个位置都会有一些小型神经元子集被激活,形成记忆痕迹(engram)。

        科学家们早就了解,记忆首先会从 CA1 开始分支,通过下托再连接到内嗅皮质。然而,他们尚不清楚这个回路和下托自身的功能。“我们一直以为,形成记忆痕迹的回路与在回忆过程中再次激活细胞的回路是一样的”,Susumu Tonegawa 表示。

        在实验中,如果在经历恐惧前抑制小鼠的下托神经元,它们就能够正常回忆起恐惧的情绪;而若是经历恐惧后再抑制下托神经元,小鼠就不会显示出通常的恐惧反应。也就是说,它们回忆的能力受到了损伤。

        这就说明,下托对回忆是必不可少的,但对记忆的形成并不是如此;其他一些实验表明,回忆并不需要用到从 CA1 到内嗅皮质的直接回路,但记忆形成却需要。

        “我们只是想着探索更多关于下托的功能,却没想到会有出人意料的发现,”利根川进说。虽然实验目前仅仅对包含情绪(正面和负面)的记忆确认了双回路系统的存在,但研究人员表示,这个系统应该存在于任何情景记忆中。

        斯坦福大学生物工程与神经病学与行为科学教授 Karl Deisseroth 说:“这篇论文作为尖端神经科学的力作,揭示了记忆的形成与回忆所使用的不同神经回路,并指出了它们的重要性。”

        同时,该研究结果或许还与阿尔茨海默病有关。去年,Susumu Tonegawa 实验室的研究人员们就发现,早期患有阿尔茨海默病的小鼠虽然很难回忆起过去的事件,却仍然能够形成新的记忆。毫无疑问,这次的研究给科学家们带来了一些新的启发,不排除下托会受到阿尔茨海默病影响的可能性,目前他们还未对此专题进行进一步的研究。

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