對小鼠的研究揭示了大腦如何將事件聯繫起來形成記憶

一個女人走在街上聽到砰的一聲。幾分鐘後，她發現走在她前面的男朋友中槍了。

一個月後，這位女士來到急診室。她說，垃圾車發出的噪音引起了恐慌。她的大腦已經在響亮的聲音和她所目睹的毀滅性的景象之間形成了一種深刻而持久的聯繫。

這個故事由臨床精神病學家和一項新研究的合著者Mohsin Ahmed醫學博士轉述，是大腦記憶和連接時間分離事件的強大能力的一個強有力的例子。

現在，在最新一期發表在《神經元》雜誌上的對小鼠的新研究中，哥倫比亞大學祖克曼研究所的科學家們已經闡明了大腦是如何形成這種持久聯繫的。

科學家們發現了一個令人驚訝的機制，通過這個機制，大腦中對記憶至關重要的區域——海馬體，架起了跨越時間的橋梁。通過發出看似隨機但實際上構成複雜模式的一系列活動，隨著時間的推移，這些活動有助於大腦學習關聯。

通過揭示關聯學習背後的潛在迴路，這些發現為更好地理解焦慮、創傷和壓力相關疾病(如恐慌和創傷後應激障礙)奠定了基礎。

在這些疾病中，一個看似中性的事件可以引發負面反應。

我們知道海馬體在學習的過程中是很重要的，它將兩個相隔10到30秒的事件聯繫起來。這種能力是生存的關鍵，但其背後的機制已被證明是難以捉摸的。通過今天對小鼠的研究，我們繪製出了大腦進行的複雜計算的圖譜，以便將時間上分離的不同事件聯繫起來。」

——Attila Losonczy，醫學博士，哥倫比亞大學祖克曼大腦行為研究所的首席研究員，論文的共同高級作者

海馬體是大腦深處一個很小的海馬狀區域，是學習和記憶的重要中樞。之前在小鼠身上進行的實驗表明，海馬體的破壞會使小鼠在學習將兩個相隔幾十秒的事件聯繫起來時遇到困難。

「目前流行的觀點是，海馬體中的細胞保持一定程度的持續活動，以關聯這些事件，」哥倫比亞大學瓦傑洛斯外科醫生學院(Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons)的臨床精神病學助理教授 Ahmed說。「因此，關閉這些細胞會擾亂學習。」

為了驗證這一傳統觀點，研究人員讓小鼠接受兩種不同的刺激:一種是中性的聲音，接著是一小股令人不快的空氣。15秒的延遲將兩個事件分開。科學家們在幾次試驗中重複了這個實驗。隨著時間的推移，小鼠學會了將音調與即將到來的一陣風聯繫起來。利用先進的雙光子顯微鏡和功能性鈣成像技術，他們記錄了在每次試驗過程中，動物海馬中數千個神經元(一種腦細胞)連續許多天的活動。

「通過這種方法，我們可以模仿我們自己的大腦在學習連接兩個事件時所經歷的過程，儘管是以一種更簡單的方式，」Losonczy說。他也是哥倫比亞大學瓦傑洛斯外科醫生學院(Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons)的神經科學教授。

為了弄清他們收集的信息的意義，研究人員與計算機神經科學家合作，開發了強大的數學工具來分析大量的實驗數據。計算神經學家Stefano Fusi博士是哥倫比亞大學祖克曼研究所的首席研究員，也是這篇論文的聯合高級作者，他說:「我們希望看到在15秒的間隙中持續的重複的、連續的神經活動，這表明海馬體在起作用，將聽覺和空氣氣味聯繫起來。」「但當我們開始分析數據時，我們沒有看到這樣的活動。」

相反，記錄在15秒間隔期間的神經活動是稀疏的。只有一小部分神經元被激活，而且似乎是隨機的。這種零星的活動與大腦在其他學習和記憶任務(比如記住一個電話號碼)中顯示的連續活動明顯不同。

博士研究生James Priestley說:「在整個測試過程中，大腦活動似乎在間歇性和隨機的時間段內斷斷續續、斷斷續續地出現。」

Losonczy說：「為了理解活動，我們必須改變分析數據的方式，使用旨在理解隨機過程的工具。」

最終，研究人員在隨機性中發現了一種模式:一種心理計算的方式，似乎是一種非常有效的神經元存儲信息的方式。神經元並沒有持續地相互交流，而是通過在細胞間的連接(稱為突觸)中編碼信息來節省能量，而不是通過細胞的電活動。

「我們很高興地看到，大腦並沒有在這幾秒鐘內保持持續的活動，因為從新陳代謝角度來說，這不是存儲信息的最有效方式，」Fusi說，「大腦似乎有一種更有效的方式來建立這個橋梁，我們懷疑這可能涉及改變突觸的強度。」

除了幫助繪製與聯想學習有關的迴路，這些發現還為更深入地探索與聯想記憶功能障礙有關的障礙提供了一個起點，比如恐慌和創傷後應激障礙。

「雖然我們的研究沒有明確地模擬這兩種疾病的臨床症狀，但它可以提供大量信息，」Ahmed博士說，他也是哥倫比亞大學祖克曼研究所Losonczy實驗室的成員。「例如，它可以幫助我們模擬當病人經歷兩個事件之間的可怕關聯時，大腦可能發生的某些反應，而這兩個事件對其他人來說不會引起恐懼或恐慌。」

科學出版社賽醫學（sci_med）

科學出版社醫藥衛生分社訂閱號