海马波簇闪烁,照亮记忆幽林
2019-10-30 13:31

海马波簇闪烁,照亮记忆幽林

文章来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:CEPELEWICZ,翻译:阿莫東森,编辑:小葵花,题图来自:Scott Balmer


存在于海马体电活动中的尖波涟漪,能带来记忆研究的曙光吗?


“在生物学里,要弄坏一样东西很简单,”加州大学旧金山分校的神经科学家洛伦·弗兰克(Loren Frank)指出,“而让一样东西运作得更好却非常难。”


尽管如此,纽约大学医学院的研究人员在2019年初夏报告称,他们通过调整实验动物脑内一个动态信号的长度,成功改善了它们的记忆力[1];而神经科学家们(例如弗兰克)在几十年前就开始对这个脑信号着迷了。


这个成果本身就足以令人激动,因其带来了增强人类记忆力的可能性。但它更加揭示了对记忆的一种更全面的理解,并且发现了扎根于神经事件时长之中的一个重要线索;而这种理解,或许能带我们更好地弄清记忆的原理。


发现记忆的涟漪


自20世纪80年代以来,科学家们一直在关注大脑中一块叫“海马体”的区域中,神经元短暂的同步簇状放电活动(short bursts of synchronised neural activity)。这个活动包含了复杂且级联的放电型(electrical patterns);布兰迪斯大学的一名神经科学家,山塔努·雅德哈弗(Shantanu Jadhav)说,这些放电型“听起来就像是爆炸一样”。


当大量神经元突然高速地重复它们以前的放电型,就好像在回放过去经历的碎片时,这些“尖波涟漪”就会出现;因此,它们自被发现以来,就被与记忆紧密地联系了起来。这种现象会在动物睡眠时发生,也许是为了帮它们巩固新获取的知识,以便长期存储。


逐渐,人们开始认识到,尖波涟漪不只是被动的记忆巩固过程中的一个标志;它们也出现在更主动的记忆过程(如记忆取回,和用记忆去指导新的推断)中。这些占据大量睡眠时间的“海马体烟花晚会”也常在清醒着,但闲散且注意力不集中的、作出决定前的,或正在探索新环境的动物脑中上演。“涟漪包含的信息内容既可能是过往经历的真实回放。”德克萨斯大学的神经科学家布莱德·菲弗(Brad Pfeiffer)指出,“也可能是对未来也许会发生之事的预想。”


在海马体电活动中观察到的“尖波涟漪”有长短两种形式 图片:DOI:10.1126/science.aax0758


也就是说,“你觉得记忆,或者基于过去而对未来可能性的预想,在脑子里长什么样”,尖波涟漪“就长什么样”。无论怎么说,这些涟漪“构造完备,很可能在大脑内的学习驱动机制中扮演了重要角色;而这种驱动机制,则是大脑学习新知识的一个关键”——尖波涟漪是各种记忆的“认知生物标志物”[2]


— Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine


弗兰克、雅德哈弗等人在2012年巩固了这个认识:他们让小鼠学习在一个三叉戟形状的三通迷宫里寻路,并用电脉冲扰乱它们的尖波涟漪。当小鼠在迷宫的左右两臂时,它们需要回到中间来获得奖励;当它们在中间时,如果上一次选择了走左,这一次则需要走到右臂来获得奖励,反之同理。


在任务的第一部分中,小鼠只需要走回起点,而扰乱涟漪对小鼠的表现没有任何影响。然而,当它们需要轮流选择左臂和右臂时(也就是说,它们需要记住自己上一次的选择),扰乱涟漪则使它们的表现明显变差了[3]


长涟漪,短涟漪


当前,由神经科学家吉尔吉·布扎萨基(György Buzsáki)带领的研究团队,终于带来了表明尖波涟漪在记忆机制中有一席之地的证据。他们采用了弗兰克团队用过的那个记忆测试,并发现,在大鼠中,人工延长这些涟漪的持续时间,能改善它们在测试中的表现。这项研究在六月发表于《科学》期刊上。


吉尔吉•布扎萨基(György Buzsáki)图片来源:buzsakilab.com


“我认为,他们能找到一种通过增强现存活动规律,来加速学习的方法——这本身就十分创新和有效,”弗兰克表示,“而且,这加强了这种规律和学习与记忆的关联性。”


但与此同时,这项成果也强调了涟漪时长的重要性——在此前,研究人员们几乎从未探究过这点。科学家们在之前发现,在海马体内自然发生的涟漪中,虽然有一小部分会持续超过0.1秒,但大部分都只会持续大约0.1秒。


然而,科学家们未曾研究过涟漪时长是否会有影响,以及这个因素会对什么造成影响。“人们早就知道尖波涟漪的持续时间长短不一,但我认为,他们一直都默认这些长短是随机的。”A·大卫·瑞迪施(A. David Redish),一名明尼苏达大学的神经科学家表示。瑞迪施未参与此项研究。


实际上,这种不均匀分布在大脑的许多层面上都有出现,例如神经元的发放频率、突触之间的连接强度,和轴突的传导速度[4]。布扎萨基指出,专家们普遍认为“(这种分布)能维持在动态系统中存在的对抗性需求之间的平衡”,而这种平衡也许能保护系统的稳定性或坚固性。但是,他和他的团队决定继续深究这个现象对尖波涟漪的具体意义。


 Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine


当大鼠进入一个新的环境(例如,当它们开始探索三通迷宫)时,研究者们发现,长涟漪的数量一般会比平时更多。随着这些动物更多地接触这个环境,涟漪持续的时间则会逐渐变短。其它实验中的对比也得出了相同的结论:更长的涟漪可能与更需要记忆力和认知能力的任务有关。“就好像有某个内部进程在说:‘我需要更长的尖波涟漪’一样。”瑞迪施说。


布扎萨基等人用光来刺激大脑,使得涟漪的持续时间变长;他们发现,其它相关的神经元也加入了这个活动规律。海马体似乎是在回放序列中的更多部分——在这个实验中,海马体仿佛在回放关于大鼠之前在迷宫中走过的路的更多信息,“显示出(它走过的)整个路径”布扎萨基指出。


“延长涟漪实际上会延长被重新激活的路径信息。”雅德哈弗说。“这很可能就是想象所有可行路径的一个机制”,然后大鼠就可以从中选出一条现实路径。


“总而言之,这项研究表明“尖波涟漪的长短有着实际意义。”瑞迪施认为,“长短与涟漪所处理的信息有关,而处理更多信息的尖波涟漪则对记忆更加必要。”


黑暗中的一簇亮光


目前,研究者们可以回顾他们以前的研究,以探明涟漪的长度是否会为记忆机制的研究提供一个新视角。瑞迪施就是一个例子:在此之前,他发现尖波涟漪标记了大鼠建立新的思维联系的神经状态;通过回顾这个发现,他指出,那些涟漪也比一般的要长。“所以这些更长的尖波涟漪或许也协助建立了更好的联系功能。”


但与此同时,这样的可能性也带来了其它各种问题——短涟漪的功能是什么?涟漪时长在久远记忆或未来计划中扮演什么角色?长涟漪和短涟漪是否与海马体以外的脑区有着不同的相互作用方式?——布扎萨基目前正准备探究最后这个问题。


 Evgenia Chuvardina


对尖波涟漪,和弗兰克与布扎萨基用来研究尖波涟漪的试验的关注,本身也非常有趣,因为它包含了很多思考记忆的不同方式。“我们分得很清,记忆是过去,计划和想象则是未来。”一个脑区负责主动的短期记忆,另一个则负责“线下”的长期记忆,布扎萨基指出,“但大脑也许并不这样运作。这些机制之间的界限并不是那么容易划分的。”


他补充道,因此,或许“在更普适的层面上”来研究记忆,或许是有其道理所在的。


当讨论到如何定义记忆和研究记忆最好的方法时,弗兰克说:“我认为,我们作为一个领域,还不明白我们究竟在做什么,我们仍然在暗中摸索。”但在这些簇状的涟漪活动中,我们或许会找到一点光亮。


参考文献

[1] https://science.sciencemag.org/content/364/6445/1082

[2] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/hipo.22488

[3] https://science.sciencemag.org/content/336/6087/1454.long

[4] https://www.nature.com/articles/nrn3687


文章来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:CEPELEWICZ,翻译:阿莫東森,编辑:小葵花

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com

正在改变与想要改变世界的人,都在虎嗅APP

读了这篇文章的人还读了...

回顶部
收藏
评论
点赞