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2022-01-14 21:45
记忆储存在哪里?能通过手术消除吗?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Don Arnold(南加州大学生物科学教授),编译:糖兽,头图来自:unsplash


记忆都藏在哪里? 


无论是计算机的RAM,还是我们的脑,所有的记忆存储设备都是通过改变其物理性质来存储信息的。


当记忆形成时,脑会发生怎样的物理变化?130多年前,神经学家先驱Santiago Ramóny Cajal首次提出,脑会通过重新排列突触(神经元之间的连接)来存储信息。自那时起,神经学家就开始试图揭示与记忆形成有关的生理变化。


然而,要对突触进行成像和绘制非常困难。首先因为突触非常小,其大小约是标准临床MRI所能看到的最小物体的百亿分之一,这些微小的突触总是紧密地聚集在一起。第二个难点在于,在实验室中研究中,科学家通常会用小鼠来进行脑功能研究,而小鼠的脑中约有10亿个突触,它们都和环绕在其周围的组织一样,呈不透明或半透明的颜色。


在过去的一些相关研究中,科学家专注于记录神经元产生的电信号。虽然那些研究已经证实在记忆形成后,神经元会改变它们对某些特定刺激的反应,但仍无法确定究竟是什么驱动了这些变化。


现在,一项新研究利用创新的成像方法,用历经6年的时间,详尽地绘制出了斑马鱼在记忆形成前后的突触图。在过去的40年里,人们普遍认为,记忆是通过改变突触的强度来达到的。而新的研究则表明,记忆在形成时所改变的并非现有突触的强度,而是会导致脑的某些区域产生更多的突触,而有些区域则会丧失突触。


用经典条件反射诱发新记忆  


斑马鱼是一种用于神经科学研究的理想测试对象,因为它们既足够大到拥有像人类一样的脑功能;又足够小且透明到能够为进入活体大脑提供一扇窗户。在新研究中,研究人员试图对只有12天大的斑马鱼幼苗诱发新的记忆。他们使用了一种被称为经典条件反射的学习过程对这些斑马鱼进行训练。


斑马鱼特别适合作为神经科学研究的动物模型。| 图片来源:Zhuowei Du and Don B. Arnold, CC BY-NC-ND


经典条件反射涉及到同时将受试动物暴露在两种不同类型的刺激下——一种是中性的、不会引起反应的刺激;另一种是不舒适的、会使动物尽量避免的刺激。当这两种刺激成对出现的次数够多时,动物对中性刺激的反应就会与对不舒适的刺激一样。这表明它们已经将两种刺激结合在了一起,形成了联想记忆。


在实验中,他们用红外激光来轻轻加热斑马鱼的头部,用这种刺激作为不适刺激。斑马鱼会试图游开来避免这种刺激。因此,当鱼开始甩尾时,就可视作为鱼想要逃跑。与此同时,他们会打开一盏灯作为中性刺激,如果当斑马鱼暴露在这种中性刺激下时,也出现甩尾的现象,就意味着它回忆起了之前遇到不适刺激时的情况。


经过5个小时的训练,研究人员就能够观察并捕捉到这些斑马鱼的大脑出现的变化。


在这项研究中,为了绘制突触图像,研究人员发明了一种方法来改变斑马鱼的DNA,使它们的神经元可以产生能够与突触结合的荧光蛋白。如此一来,当有激光扫过时,突触的强度和位置就会被荧光蛋白标记。


这张图片显示了活着的斑马鱼脑中的神经元,其中突触被涂成了绿色。| 图片来源:Zhuowei Du and Don B. Arnold, CC BY-NC-ND


然后,他们用一种专门的显微镜对突触进行成像,这种显微镜所使用的激光剂量比标准显微镜要低得多,对神经元造成的损伤也微小得多,使研究人员能够在不丧失突触的结构和功能的情况下对其进行成像。


如此一来,研究人员就能够直接观察活体动物的变化,获得同一样本变化前后的图片。而不是像过去的研究那样,在死亡的样本上进行实验,只能对两个不同的样本进行比较。


最后,研究人员用新开发的算法来处理和分析数以百计的图像和实验,获得了清晰的三维突触图。


在比较记忆形成前后的三维突触图时,研究人员清晰地发现大脑的一个区域的神经元产生了新的突触,而另一个区域的神经元丧失了突触。另外,他们还惊讶地发现,与记忆形成有关的已有突触的强度变化很小,这意味着联想记忆的形成更多的是关于突触的形成和消失,而非之前所认为的那样会出现明显的强度变化。


科学家创建的脑突触图,比较了在记忆形成学习前后突触的大小和位置,识别出了在这个过程中产生的和消除的突触。| 图片来源:Don Arnold


研究人员希望这些结果是尽可能透明的且可复制的,因此他们将与这篇论文相关的所有数据都放在了公开的网站上供大家搜索和获取。


移除突触会移除记忆吗?  


新的研究揭示了突触连接可能在记忆中发挥的作用,并解释了为什么联想记忆比其他类型的记忆更持久、更生动。


由经典条件反射诱发的联想记忆被认为与导致创伤后应激障碍(PTSD)的创伤性记忆类似。因此新研究中所用来观察脑细胞功能的方法,不仅可以让我们更深入地了解记忆是如何工作的,还可以为治疗PTSD和成瘾等神经精神疾病开辟潜在的新途径。


目前,PTSD的最常见治疗方法是暴露疗法,它会反复将患者暴露在一个无害但却能触发刺激的环境中,以抑制对创伤事件的回忆。理论上,这能间接改造大脑的突触,使记忆不那么痛苦。尽管暴露疗法取得了一些成功,但患者常有复发的倾向。这表明导致创伤性反应的潜在记忆并没有被消除。


虽然研究人员还尚不清楚突触的生成和丧失是否真的推动了记忆的形成,但他们已经开发出了一种可以快速精确地移除突触而不损伤神经元的技术。他们计划接下来将用类似的方法去除斑马鱼或小鼠的突触,看看这是否会改变联想记忆。


使用这些方法或许可以从身体上抹去PTSD和成瘾症等毁灭性疾病的联想记忆。然而,在正式考量这种治疗之前,编码联想记忆的突触变化需要被更精确地定义。而且显然,这还涉及到急需解决的严重的道德和技术障碍。


如果在未来的某一天,科学家发展出了可用来改造记忆的突触手术,你会愿意消除那些不好的记忆吗?


参考来源:

https://theconversation.com/where-are-memories-stored-in-the-brain-new-research-suggests-they-may-be-in-the-connections-between-your-brain-cells-174578

https://dornsife.usc.edu/news/stories/3613/how-memories-are-stored/


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Don Arnold

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