長(zhǎng)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?cè)趺磧?chǔ)存記憶？在美國(guó)馬薩諸塞州劍橋市，諾貝爾獎(jiǎng)得主、日本理化學(xué)研究所與麻省理工學(xué)院神經(jīng)回路遺傳學(xué)研究中心所長(zhǎng)利根川進(jìn)正帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)研究記憶痕跡如何在大腦皮層中形成長(zhǎng)期記憶。

其實(shí)記憶痕跡的概念早在100多年前就被提出來(lái)了，利根川進(jìn)的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》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(diǎn)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(shí)間。

1953年，一場(chǎng)不期而然的外科手術(shù)首次為記憶的形成與儲(chǔ)存提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。當(dāng)時(shí)27歲的美國(guó)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(wú)法形成新的記憶了，但亨利的早期記憶沒(méi)有受到影響。這證明了海馬體對(duì)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(kāi)海馬體，比如，你記得今天早上在公園遛狗時(shí)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(yuǎn)儲(chǔ)存在海馬體中，而是逐漸轉(zhuǎn)移到大腦的外層——大腦皮層。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果用電刺激病人相應(yīng)區(qū)域的大腦皮層，病人就會(huì)回憶起相應(yīng)的記憶。在記憶上傳的過(guò)程中，信息會(huì)逐漸壓縮，就像我們用計(jì)算機(jī)上傳文件并進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存一樣。上傳的過(guò)程可能會(huì)持續(xù)好幾天。

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

但是，研究人員還是無(wú)法把大腦中的神經(jīng)細(xì)胞整體集合與特定的記憶連接起來(lái)。1999年，諾貝爾獎(jiǎng)得主弗朗西斯·克里克也致力揭開(kāi)大腦的奧秘，他認(rèn)為可以用光脈沖激活活體中的單個(gè)神經(jīng)元，進(jìn)而在神經(jīng)細(xì)胞整體集合研究中取得進(jìn)展。弗朗西斯·克里克寫(xiě)道：“這看上去可能比較牽強(qiáng)，但是分子生物學(xué)家可以設(shè)計(jì)一種對(duì)光敏感的特殊細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”

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

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(xì)胞，只讓最近產(chǎn)生記憶的神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生感光基因。產(chǎn)生記憶的細(xì)胞會(huì)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(xì)胞中。

2012年，對(duì)長(zhǎng)期記憶的研究實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。利根川進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用先進(jìn)的光遺傳學(xué)技術(shù)將曾經(jīng)的設(shè)想付諸實(shí)踐。利根川進(jìn)帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)采用光遺傳學(xué)手段證明了關(guān)于恐懼的記憶痕跡確實(shí)存在。研究團(tuán)隊(duì)將小鼠放在一個(gè)盒子中，這個(gè)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(gè)盒子中，不管是否電擊小鼠，小鼠都會(huì)因感到恐懼而僵住不動(dòng)。

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(xì)胞，證明這些細(xì)胞制造了記憶。為了證明這一點(diǎn)，研究人員將微小的光導(dǎo)纖維植入活體生物大腦的海馬體中，光導(dǎo)纖維會(huì)直接將光脈沖傳輸?shù)竭@些被基因改造的神經(jīng)細(xì)胞里。研究人員用有節(jié)奏的藍(lán)光刺激海馬體，小鼠就會(huì)僵住不動(dòng)，仿佛被電擊的記憶被釋放出來(lái)。這是首次證明記憶痕跡的存在，幾百個(gè)細(xì)胞在受到刺激后重放記憶。

現(xiàn)在，研究人員想看看，隨著時(shí)間的推移，小鼠海馬體上的記憶痕跡會(huì)發(fā)生什么變化。有研究表明，關(guān)于恐懼的記憶存儲(chǔ)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(kāi)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(huì)回放，這點(diǎn)和以前的實(shí)驗(yàn)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(huì)激起小鼠的記憶，這個(gè)發(fā)現(xiàn)令人驚訝不已。這表明記憶痕跡同時(shí)上傳到了前額葉皮層。利根川進(jìn)說(shuō)：“這點(diǎn)完全出乎我們的意料，我們?cè)?jīng)認(rèn)為腦皮層中的記憶是逐漸形成的，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明腦皮層中的記憶立刻就形成了。”

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

所以長(zhǎng)期記憶的存儲(chǔ)是這樣形成的：首先，前額葉皮層在靜息狀態(tài)下復(fù)制一份記憶，然后逐漸鞏固成長(zhǎng)期記憶，與此同時(shí)，海馬體的記憶痕跡被擦除。不過(guò)，在論文中，第一作者利根川進(jìn)說(shuō)這種長(zhǎng)期鞏固的過(guò)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(huì)鞏固記憶，這對(duì)形成長(zhǎng)期記憶也很重要。如果研究人員用感光開(kāi)關(guān)阻止海馬體或者杏仁核的信息，那么皮層的記憶就無(wú)法鞏固。

這項(xiàng)研究對(duì)我們有何用處呢？雖然我們不能植入感光開(kāi)關(guān)，但是我們可以采用深部腦刺激手術(shù)，植入細(xì)小的電極，開(kāi)啟或者抑制大腦的某個(gè)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(jìn)的設(shè)想，我們有朝一日會(huì)用同樣的技術(shù)控制人類大腦中的記憶痕跡，“不過(guò)我們首先要在小鼠身上做好實(shí)驗(yàn)”。

如果我們能夠理清記憶儲(chǔ)存的細(xì)節(jié)，那么當(dāng)記憶出現(xiàn)問(wèn)題或者過(guò)度活躍時(shí)，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(zhǎng)潘卡·薩教授雖然沒(méi)有參加研究，但對(duì)這項(xiàng)研究很感興趣，他說(shuō)：“這項(xiàng)研究很有幫助，我們能夠借此治療在創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）中過(guò)度活躍的細(xì)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(diǎn)出乎意料。”光遺傳學(xué)正在飛速發(fā)展，也許過(guò)不了多久，我們就能操控記憶痕跡了。