活体大脑中,记忆形成的可视化

  来源: 神经现实

  设想在一个阳光明媚的早晨,你正享受着一碗牛奶麦片,这时一只蜘蛛从天花板坠落并掉进了牛奶中。多年后,面对一碗麦片,你仍然无法克服那种呕吐感。如今,研究者已经直接观察到了,在学习这种由情感主导的反应时大脑中发生的变化。今年1月在PNAS上发布的一项最新研究中,一个南加州大学的团队将实验鱼大脑中的记忆形成过程可视化,让它们在显微镜下通过绿色荧光蛋白成像。基于早期的研究,研究者们一度认为大脑是通过轻微改变其神经结构为记忆编码的。然而,现在他们却惊讶地发现了神经联结之间大规模的修改。

  这一发现证实了如下观点:记忆是涉及混杂的编码通路的一种复杂现象。由此可见,记忆的种类或许对于大脑如何选择编码通路是至关重要的。这个结论也许能够为解答深度创伤性条件反射的顽固和持久性提供一些思路。

  刚出生7天的斑马鱼(zebra fish)幼体的大脑在荧光记号的作用下闪闪发光。这些荧光记号通过基因工程技术被植入斑马鱼的大脑中,从而呈现其中的神经活动。近年来,像这样被基因改造的鱼会被用来研究记忆的形成。

  “或许我们正在观察的是(大脑中)相当于固态硬盘(SSD)的东西。南加州大学的定量生物学家斯科特·弗雷泽(Scott Fraser)这样说道。尽管大脑以一种不稳定的、可消除的方式记录某些类型的记忆,但其中负载恐惧记忆的存储可能是更稳固的。这也就解释了为什么多年后,一些人回忆起这些经历时有昨日重现的感觉。

  研究者们经常在哺乳动物脑顶部的大脑皮层和底部的海马体中研究记忆。但像杏仁核,即大脑的恐惧调控中心,这样更深层的结构却很少被研究。杏仁核专门负责联想记忆(associative memories),这是由情绪主导的一类重要记忆。这种记忆将迥然不同的东西联系起来,就像麦片和里面的蜘蛛。尽管这类记忆十分普遍,但我们对其生成机制却知之甚少。部分原因在于它们发生在大脑中不太容易触及的区域。

  弗雷泽和他的同事发现了一个避开解剖学的限制的机会,通过斑马鱼知晓更多关于联想记忆生成方式的信息。鱼不像哺乳动物一样有杏仁核,但它们的大脑皮层(pallium)中存在着与哺乳动物的杏仁核有着类似功能的区域,联想记忆正是在这里形成的。皮层更容易研究,弗雷泽解释道:当一个正在发育的哺乳动物的大脑就像膨胀的气球不断变大时,斑马鱼的大脑几乎在以完全相反的方式向内发展,“就像一个爆米花的玉米粒,皮层由发育前的最中心处向外翻转到表层,让我们获得脑成像此外,因为斑马鱼幼体是透明的,研究者能够直接观察它们的大脑。

  神经科学家们普遍认为,大脑通过调整连接神经元的突触形成新的记忆。但大多数科学家相信记忆主要是通过轻微调整突触连接的强度或神经元间刺激信号的强度形成的,弗雷泽如是说。

  为了能够看见这一过程,弗雷泽和他的团队对斑马鱼进行基因编程,经过处理后,斑马鱼的神经元结合后,突触部分能够表达出荧光蛋白,这种标记蛋白*能够在显微镜昏暗的激光灯下闪烁。这项技术真正的挑战在于“(既)能够实时记录变化过程”,与此同时,还要尽可能少地使用灯光,以避免灼伤生物,弗雷泽这样说道。在研究过程中,研究者不仅看到了单个突触的位置,而且能够看到突触联结的强度——荧光越明亮,联结也就越强。

  *译者注

  这一指标蛋白在唐·阿诺德(Don Arnold)的实验室中被创造出来,唐·阿诺德是一位就职于南加利福尼亚大学的生物科学和生物编程专家。

  定量生物学家斯科特·弗雷泽和他就职于南加利福尼亚大学的同事观察斑马鱼大脑中一个不快的联想记忆的生成方式。

  为了能够催生记忆,弗雷泽和他的团队将斑马鱼幼体置于灯光和不适宜的热度的关联条件下。这与19世纪俄罗斯的生理学家伊万·巴甫洛夫(Ivan Pavlov)的做法相似:他把铃声和食物相关联,使狗在听到铃声时,便会分泌唾液。而斑马鱼幼体则要学习看到灯光时游离这里。(实验中,斑马鱼幼体的头被固定着,但尾巴可以自由摆动,作为习得这种行为的指示信号。)研究者分别为鱼学习行为的前后的大脑进行成像,并分析神经突触的强度和位置的变化。

  研究结果与期待相左,脑皮质层中突触强度在学习前后没有显著的变化。与此相反,在学会这种行为的鱼的脑皮质层中,一些区域的突触被修剪掉了。其结果正如弗雷泽所说,“就像是修剪盆栽”并移植到他处。

  先前研究有时会提道,记忆能够通过突触的增加和删除而形成。但此次实时且大规模的对大脑的可视化表明,尽管研究者已经意识到这种记忆的形成方式十分重要,但其重要性可能远比他们想象的更大。尽管这一点还没有得到完全可靠的证明,“但我认为这一研究提供了强有力的证据”,这很有可能是大脑形成记忆的主要方式,就职于都柏林圣三一大学、但未参与到这一研究中的神经科学家托马斯·里安(Tomás Ryan)这样说道。

  为了能够调和最新的研究结果和对记忆生成方式的初始预设,弗雷泽、阿诺德和他们的团队作出如下假设:记忆的类型能够指导大脑如何选择为其编码。弗雷泽指出,“我们看到的联想事件或许是最深刻的一种记忆。对于鱼而言,这些事件事关生死,因此“用一种非常强效的方式为这种深刻的记忆编码也就不足为奇了”。但适用于保存恐惧记忆的方式或许并不适用于稀松平常的记忆。当你学着念某个人名时,你可能“不愿意将某些突触拽离大脑,再加点新的进去”,弗雷泽这样说道。

  弗雷泽和他的团队希望这一模型最终能够帮他们探究一些记忆的生成机制,这些记忆能够引发创伤后应激障碍(PTSD),同时希望它能指向缓解创伤后应激障碍的潜在策略。

  但这些发现可能与斑马鱼的年龄相关性更强,而与记忆类型关系不大,另一位没有参与到这一研究中的心理学家克里夫·亚伯拉罕(Cliff Abraham)对研究提出质疑,他目前就职于新西兰奥塔戈大学。他还进一步指出,“我们知道,经验能够导致很多修剪和突触重组,这些重组现象是在大脑的不同部分的发展过程中观察到的。”如果研究者观察的是成年斑马鱼,他们可能得到不同的结果。对成年斑马鱼的观察比较困难,因为它们并非完全透明,而且有着更复杂的脑组织。

  他还补充道,这篇文章是“技术上的杰作”,但它仅仅针对记忆形成谜题中的一个小部分。关于记忆,还有很多留待回答的问题,例如,那些记忆和突触的变化会在斑马鱼身上留存多久。

  这些研究者们希望了解这一发现是否能够转移到有着更大的大脑的动物甚至是哺乳动物身上,并观察检验斑马鱼和其他动物如何形成较少负载情绪的、较少创伤性的记忆。弗雷泽说,“我想每个人都认为,存在一个整全的序列,记录着所有大脑储存记忆的方式。美妙的是,我敢打赌他们都是正确的。接下来的问题是:这些不同的记忆生成方式如何一起工作?

  作者:Yasemin Saplakoglu|封面:Jack Bloom

  翻译:Muchun |校对:eggriel

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