記憶儲存在哪裡?能通過手術消除嗎?


記憶都藏在哪裡?

無論是計算機的RAM,還是我們的,所有的記憶存儲設備都是通過改變其物理性質來存儲信息的。

當記憶形成時,腦會發生怎樣的物理變化? 130多年前,神經學家先驅Santiago Ramóny Cajal首次提出,腦會通過重新排列突觸(神經元之間的連接)來存儲信息。自那時起,神經學家就開始試圖揭示與記憶形成有關的生理變化。

然而,要對突觸進行成像和繪製非常困難。首先因為突觸非常小,其大小約是標準臨床MRI所能看到的最小物體的百億分之一,這些微小的突觸總是緊密地聚集在一起。第二個難點在於,在實驗室中研究中,科學家通常會用小鼠來進行腦功能研究,而小鼠的腦中約有10億個突觸,它們都和環繞在其周圍的組織一樣,呈不透明或半透明的顏色。

在過去的一些相關研究中,科學家專注於記錄神經元產生的電信號。雖然那些研究已經證實在記憶形成後,神經元會改變它們對某些特定刺激的反應,但仍無法確定究竟是什麼驅動了這些變化。

現在,一項新研究利用創新的成像方法,用歷經6年的時間,詳盡地繪製出了斑馬魚在記憶形成前後的突觸圖。在過去的40年裡,人們普遍認為,記憶是通過改變突觸的強度來達到的。而新的研究則表明,記憶在形成時所改變的並非現有突觸的強度,而是會導致腦的某些區域產生更多的突觸,而有些區域則會喪失突觸

用經典條件反射誘發新記憶

斑馬魚是一種用於神經科學研究的理想測試對象,因為它們既足夠大到擁有像人類一樣的腦功能;又足夠小且透明到能夠為進入活體大腦提供一扇窗戶。在新研究中,研究人員試圖對只有12天大的斑馬魚幼苗誘發新的記憶。他們使用了一種被稱為經典條件反射的學習過程對這些斑馬魚進行訓練。

斑馬魚特別適合作為神經科學研究的動物模型。 | 圖片來源:Zhuowei Du and Don B. Arnold, CC BY-NC-ND

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經典條件反射涉及到同時將受試動物暴露在兩種不同類型的刺激下――一種是中性的、不會引起反應的刺激;另一種是不舒適的、會使動物儘量避免的刺激。當這兩種刺激成對出現的次數夠多時,動物對中性刺激的反應就會與對不舒適的刺激一樣。這表明它們已經將兩種刺激結合在了一起,形成了聯想記憶

在實驗中,他們用紅外雷射來輕輕加熱斑馬魚的頭部,用這種刺激作為不適刺激。斑馬魚會試圖遊開來避免這種刺激。因此,當魚開始甩尾時,就可視作為魚想要逃跑。與此同時,他們會打開一盞燈作為中性刺激,如果當斑馬魚暴露在這種中性刺激下時,也出現甩尾的現象,就意味著它回憶起了之前遇到不適刺激時的情況。

經過5個小時的訓練,研究人員就能夠觀察並捕捉到這些斑馬魚的大腦出現的變化。

在這項研究中,為了繪製突觸圖像,研究人員發明了一種方法來改變斑馬魚的DNA,使它們的神經元可以產生能夠與突觸結合的螢光蛋白。如此一來,當有雷射掃過時,突觸的強度和位置就會被螢光蛋白標記。

這張圖片顯示了活著的斑馬魚腦中的神經元,其中突觸被塗成了綠色。 | 圖片來源:Zhuowei Du and Don B. Arnold, CC BY-NC-ND

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然後,他們用一種專門的顯微鏡對突觸進行成像,這種顯微鏡所使用的雷射劑量比標準顯微鏡要低得多,對神經元造成的損傷也微小得多,使研究人員能夠在不喪失突觸的結構和功能的情況下對其進行成像。

如此一來,研究人員就能夠直接觀察活體動物的變化,獲得同一樣本變化前後的圖片。而不是像過去的研究那樣,在死亡的樣本上進行實驗,只能對兩個不同的樣本進行比較。

最後,研究人員用新開發的算法來處理和分析數以百計的圖像和實驗,獲得了清晰的三維突觸圖。

在比較記憶形成前後的三維突觸圖時,研究人員清晰地發現大腦的一個區域的神經元產生了新的突觸,而另一個區域的神經元喪失了突觸。另外,他們還驚訝地發現,與記憶形成有關的已有突觸的強度變化很小,這意味著聯想記憶的形成更多的是關於突觸的形成和消失,而非之前所認為的那樣會出現明顯的強度變化。

科學家創建的腦突觸圖,比較了在記憶形成學習前後突觸的大小和位置,識別出了在這個過程中產生的和消除的突觸。 | 圖片來源:Don Arnold

研究人員希望這些結果是儘可能透明的且可複製的,因此他們將與這篇論文相關的所有數據都放在了公開的網站上供大家搜索和獲取。

移除突觸會移除記憶嗎?

新的研究揭示了突觸連接可能在記憶中發揮的作用,並解釋了為什麼聯想記憶比其他類型的記憶更持久、更生動。

由經典條件反射誘發的聯想記憶被認為與導致創傷後應激障礙(PTSD)的創傷性記憶類似。因此新研究中所用來觀察腦細胞功能的方法,不僅可以讓我們更深入地了解記憶是如何工作的,還可以為治療PTSD和成癮等神經精神疾病開闢潛在的新途徑。

目前,PTSD的最常見治療方法是暴露療法,它會反覆將患者暴露在一個無害但卻能觸發刺激的環境中,以抑制對創傷事件的回憶。理論上,這能間接改造大腦的突觸,使記憶不那麼痛苦。儘管暴露療法取得了一些成功,但患者常有復發的傾向。這表明導致創傷性反應的潛在記憶並沒有被消除。

雖然研究人員還尚不清楚突觸的生成和喪失是否真的推動了記憶的形成,但他們已經開發出了一種可以快速精確地移除突觸而不損傷神經元的技術。他們計劃接下來將用類似的方法去除斑馬魚或小鼠的突觸,看看這是否會改變聯想記憶。

使用這些方法或許可以從身體上抹去PTSD和成癮症等毀滅性疾病的聯想記憶。然而,在正式考量這種治療之前,編碼聯想記憶的突觸變化需要被更精確地定義。而且顯然,這還涉及到急需解決的嚴重的道德和技術障礙。

如果在未來的某一天,科學家發展出了可用來改造記憶的突觸手術,你會願意消除那些不好的記憶嗎?

#創作團隊:

原文:Don Arnold(南加州大學生物科學教授)

編譯:糖獸

排版:雯雯

#圖片來源:

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封面圖:Fakurian Design / Unsplash

首圖:Don Arnold

參考文獻

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

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

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