長期記憶是怎么形成的？

伊麗莎白·芬克爾+杜璇

記憶是如何產(chǎn)生的？我們怎么儲存記憶？在美國馬薩諸塞州劍橋市，諾貝爾獎得主、日本理化學研究所與麻省理工學院神經(jīng)回路遺傳學研究中心所長利根川進正帶領(lǐng)研究團隊研究記憶痕跡如何在大腦皮層中形成長期記憶。

其實記憶痕跡的概念早在100多年前就被提出來了，利根川進的研究團隊在《科學》雜志發(fā)表的論文證明了這些很早之前就提出的設(shè)想，但是有一點與設(shè)想的不同：記憶痕跡并非逐漸上傳到前額葉皮層，而是直接上傳到前額葉皮層。記憶的鞏固是逐漸形成的，需要花些時間。

1953年，一場不期而然的外科手術(shù)首次為記憶的形成與儲存提供了實驗證據(jù)。當時27歲的美國人亨利·莫萊森為了治療癲癇接受了海馬體切除手術(shù)。但是手術(shù)產(chǎn)生了非常可怕的后果——醫(yī)生發(fā)現(xiàn)亨利再也無法形成新的記憶了，但亨利的早期記憶沒有受到影響。這證明了海馬體對形成新記憶至關(guān)重要，日常生活中內(nèi)容豐富的情節(jié)記憶離不開海馬體，比如，你記得今天早上在公園遛狗時看到了什么，這些都是海馬體的功勞。

但是，這些具體的記憶并非永遠儲存在海馬體中，而是逐漸轉(zhuǎn)移到大腦的外層——大腦皮層?？茖W家發(fā)現(xiàn)，如果用電刺激病人相應區(qū)域的大腦皮層，病人就會回憶起相應的記憶。在記憶上傳的過程中，信息會逐漸壓縮，就像我們用計算機上傳文件并進行長期儲存一樣。上傳的過程可能會持續(xù)好幾天。

德國生物學家理查德·西蒙早在20世紀初就提出記憶會在大腦中留下痕跡的猜想，并推測大腦在受到刺激后會回放這些記憶。幾十年之后，研究人員才發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞通過電脈沖發(fā)出信號，并成功破解了神經(jīng)元間傳遞的信號，也證明了單個神經(jīng)細胞之間的連接與學習和記憶之間存在聯(lián)系。

但是，研究人員還是無法把大腦中的神經(jīng)細胞整體集合與特定的記憶連接起來。1999年，諾貝爾獎得主弗朗西斯·克里克也致力揭開大腦的奧秘，他認為可以用光脈沖激活活體中的單個神經(jīng)元，進而在神經(jīng)細胞整體集合研究中取得進展。弗朗西斯·克里克寫道：“這看上去可能比較牽強，但是分子生物學家可以設(shè)計一種對光敏感的特殊細胞進行實驗。”

6年之后，斯坦福大學神經(jīng)系統(tǒng)科學家愛德華·博伊登教授和卡爾·戴塞羅斯教授研究出了這種對光敏感的特殊細胞，推動了光遺傳學的發(fā)展，取得了令他們自己都倍感驚訝的成果。兩位科學家用光敏感通道蛋白作為開關(guān)。這種蛋白對光線非常敏感，受到藍光照射后就會打開，讓帶電粒子穿過細胞膜。電流讓另一端的鞭毛不斷拍打，驅(qū)動藻類向有光的地方泳動。

研究人員用病毒做載體將光敏感通道基因插入特定的神經(jīng)細胞，只讓最近產(chǎn)生記憶的神經(jīng)細胞產(chǎn)生感光基因。產(chǎn)生記憶的細胞會產(chǎn)生c-fos蛋白質(zhì)，所以光敏感通道基因只放入產(chǎn)生c-fos蛋白質(zhì)的細胞中。

2012年，對長期記憶的研究實現(xiàn)了突破性進展。利根川進的實驗室運用先進的光遺傳學技術(shù)將曾經(jīng)的設(shè)想付諸實踐。利根川進帶領(lǐng)科研團隊采用光遺傳學手段證明了關(guān)于恐懼的記憶痕跡確實存在。研究團隊將小鼠放在一個盒子中，這個盒子的墻壁圖案和地板紋理很特別，然后電擊小鼠。此后，只要把小鼠放在這個盒子中，不管是否電擊小鼠，小鼠都會因感到恐懼而僵住不動。

研究人員還找到了海馬體中的一組光脈沖激活的神經(jīng)細胞，證明這些細胞制造了記憶。為了證明這一點，研究人員將微小的光導纖維植入活體生物大腦的海馬體中，光導纖維會直接將光脈沖傳輸?shù)竭@些被基因改造的神經(jīng)細胞里。研究人員用有節(jié)奏的藍光刺激海馬體，小鼠就會僵住不動，仿佛被電擊的記憶被釋放出來。這是首次證明記憶痕跡的存在，幾百個細胞在受到刺激后重放記憶。

現(xiàn)在，研究人員想看看，隨著時間的推移，小鼠海馬體上的記憶痕跡會發(fā)生什么變化。有研究表明，關(guān)于恐懼的記憶存儲在大腦皮層特定的一小塊區(qū)域中——前額葉皮層，所以研究人員用病毒把感光開關(guān)送到前額葉皮層。

研究結(jié)果非常有趣。小鼠受到電擊感到恐懼后，只要用光直接刺激它的海馬體，記憶就會回放，這點和以前的實驗一樣。但是研究人員發(fā)現(xiàn)，如果用光刺激前額葉皮層，也會激起小鼠的記憶，這個發(fā)現(xiàn)令人驚訝不已。這表明記憶痕跡同時上傳到了前額葉皮層。利根川進說：“這點完全出乎我們的意料，我們曾經(jīng)認為腦皮層中的記憶是逐漸形成的，但是這個實驗表明腦皮層中的記憶立刻就形成了?！?/p>

但是，把小鼠放在之前受電擊的環(huán)境中，小鼠會因產(chǎn)生關(guān)于恐懼的記憶而僵住不動，在這一過程中前額葉皮層的那些細胞沒有任何活動（檢查腦組織的化學活動也證明前額葉皮層沒有活動）。幾周后再把小鼠放在受電擊的房間，前額葉皮層的細胞才會被激活，海馬體中的記憶痕跡卻開始消退。

所以長期記憶的存儲是這樣形成的：首先，前額葉皮層在靜息狀態(tài)下復制一份記憶，然后逐漸鞏固成長期記憶，與此同時，海馬體的記憶痕跡被擦除。不過，在論文中，第一作者利根川進說這種長期鞏固的過程尚不明確。

杏仁核是大腦的情感中心，海馬體和杏仁核都要提供記憶信息，前額葉皮層才會鞏固記憶，這對形成長期記憶也很重要。如果研究人員用感光開關(guān)阻止海馬體或者杏仁核的信息，那么皮層的記憶就無法鞏固。

這項研究對我們有何用處呢？雖然我們不能植入感光開關(guān)，但是我們可以采用深部腦刺激手術(shù)，植入細小的電極，開啟或者抑制大腦的某個區(qū)域。這種電極已經(jīng)用于治療帕金森病。根據(jù)利根川進的設(shè)想，我們有朝一日會用同樣的技術(shù)控制人類大腦中的記憶痕跡，“不過我們首先要在小鼠身上做好實驗”。

如果我們能夠理清記憶儲存的細節(jié)，那么當記憶出現(xiàn)問題或者過度活躍時，我們就能用新的方式調(diào)整記憶。澳大利亞昆士蘭大腦研究所所長潘卡·薩教授雖然沒有參加研究，但對這項研究很感興趣，他說：“這項研究很有幫助，我們能夠借此治療在創(chuàng)傷后應激障礙（PTSD）中過度活躍的細胞。研究表明這些完整的記憶存在于不同的區(qū)域，彼此分離，這點出乎意料。”光遺傳學正在飛速發(fā)展，也許過不了多久，我們就能操控記憶痕跡了。