神經(jīng)科學(xué)家展示了大腦如何提高區(qū)分相似經(jīng)歷的能力，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于治療阿爾茨海默病和其他記憶障礙。

布法羅大學(xué)

1月19日消息

想想你在短時(shí)間內(nèi)有兩種不同但相似的經(jīng)歷。也許你在同一周內(nèi)參加了兩個(gè)節(jié)日聚會(huì)，或者在工作中做了兩次演講。不久之后，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己混淆了這兩次經(jīng)歷，但隨著時(shí)間的推移，這種混淆逐漸消失，你能夠更好地區(qū)分這些不同的經(jīng)歷。

布法羅大學(xué)（University at Buffalo，UB）領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究揭示，這一過(guò)程發(fā)生在細(xì)胞水平上，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)理解和治療阿爾茨海默病等記憶障礙至關(guān)重要。，研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然-神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）雜志上，論文題目：“記憶鞏固過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)和選擇性的記憶印跡”（Dynamic and selective engrams emerge with memory consolidation）。

研究于2024年1月19日發(fā)表在《Nature Neuroscience》（最新影響因子：25.0）雜志上

動(dòng)態(tài)印跡存儲(chǔ)記憶

這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是記憶印跡（Engrams），這是大腦中存儲(chǔ)記憶信息的神經(jīng)元細(xì)胞。“記憶印跡是被重新激活以支持回憶的神經(jīng)元，” Dheeraj S. Roy 博士說(shuō)，他是這篇論文的資深作者之一，也是布法羅大學(xué)雅各布斯醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院生理學(xué)和生物物理系的助理教授，“當(dāng)記憶印跡被破壞，你就會(huì)失憶。”

Dheeraj Roy 博士是布法羅大學(xué)雅各布斯醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)學(xué)院生理學(xué)和生物物理學(xué)系的助理教授，他是一篇新論文的資深作者，該論文解釋了記憶在細(xì)胞水平上如何發(fā)揮作用

他解釋說(shuō)，在經(jīng)歷之后的幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)，大腦需要鞏固記憶以存儲(chǔ)它。“我們想知道：在這個(gè)整合過(guò)程中發(fā)生了什么？在記憶形成和之后需要回憶這段記憶之間發(fā)生了什么？”

研究人員開發(fā)了一個(gè)從感官信息（刺激）開始的學(xué)習(xí)和記憶形成的計(jì)算模型。一旦信息到達(dá)海馬體（大腦中記憶形成的部位），不同的神經(jīng)元就會(huì)被激活，其中一些是興奮的，另一些是抑制的。

當(dāng)海馬體中的神經(jīng)元被激活時(shí)，并不是所有的神經(jīng)元都會(huì)同時(shí)被激活。隨著記憶的形成，那些恰好被及時(shí)激活的神經(jīng)元會(huì)成為記憶印跡的一部分，并加強(qiáng)它們的連接，以支持未來(lái)的回憶。

Roy 解釋說(shuō)：“記憶回憶過(guò)程中記憶印跡細(xì)胞的激活不是一個(gè)有或無(wú)的過(guò)程，而是通常需要達(dá)到一個(gè)閾值（即原始記憶印跡的百分比）才能有效回憶。我們的模型第一個(gè)證明了記憶印跡群體是不穩(wěn)定的：在回憶中被激活的記憶印跡細(xì)胞的數(shù)量隨著時(shí)間的推移而減少，這意味著它們本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，所以下一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是這是否有行為后果。”

記憶辨別需要?jiǎng)討B(tài)印跡

他說(shuō)：“在學(xué)習(xí)后的鞏固階段，大腦正在積極地將這兩種經(jīng)歷分開，這可能是為什么激活的記憶印跡細(xì)胞的數(shù)量隨著時(shí)間的推移而減少的原因之一。如果這是真的，這就解釋了為什么記憶辨別能力隨著時(shí)間的推移而增強(qiáng)。這就像你的記憶最初是一條高速公路，但隨著時(shí)間的推移，在幾分鐘到幾小時(shí)的鞏固期，你的大腦將它們分成兩條車道，這樣你就可以區(qū)分兩者。”

Roy 和團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)人員現(xiàn)在有了一個(gè)可測(cè)試的假設(shè)，他們用小鼠進(jìn)行了一個(gè)完善的行為實(shí)驗(yàn)。小鼠被短暫地暴露在兩個(gè)不同的盒子中，這些盒子有獨(dú)特的氣味和光照條件，其中一個(gè)是中性環(huán)境，但在第二個(gè)盒子里，它們接受了輕微的足部電擊。

幾小時(shí)后，通常一直在移動(dòng)的小鼠在任何一個(gè)盒子前都表現(xiàn)出了恐懼記憶的回憶。Roy 說(shuō)：“這表明它們無(wú)法區(qū)分兩者。但到了 12 小時(shí)，突然之間，只有當(dāng)它們暴露在第一次體驗(yàn)時(shí)感到不舒服的盒子里時(shí)，他們才會(huì)表現(xiàn)出恐懼。他們能夠區(qū)分這兩者。這些動(dòng)物告訴我們，它們知道這個(gè)盒子是可怕的，但 5 個(gè)小時(shí)前它們還做不到這一點(diǎn)。”

利用一種光敏技術(shù)，當(dāng)小鼠探索盒子時(shí)，研究小組能夠檢測(cè)到小鼠海馬體中活躍的神經(jīng)元。研究人員使用這種技術(shù)標(biāo)記活躍的神經(jīng)元，然后測(cè)量有多少神經(jīng)元被大腦重新激活以進(jìn)行回憶。他們還進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，讓單個(gè)印跡細(xì)胞可以在經(jīng)歷和時(shí)間中被追蹤。“所以我可以逐字逐句地告訴你一個(gè)記憶細(xì)胞或它們的一個(gè)子集是如何在不同的時(shí)間內(nèi)對(duì)每個(gè)環(huán)境做出反應(yīng)的，并將這與它們的記憶辨別相關(guān)聯(lián)，” Roy 解釋說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)最初的計(jì)算研究預(yù)測(cè)，單個(gè)記憶中涉及的記憶印跡細(xì)胞的數(shù)量會(huì)隨著時(shí)間的推移而減少，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。

他解釋說(shuō)：“當(dāng)大腦第一次學(xué)習(xí)某樣?xùn)|西時(shí)，它不知道需要多少神經(jīng)元，因此需要招募更大的神經(jīng)元子集。當(dāng)大腦穩(wěn)定神經(jīng)元，鞏固記憶時(shí)，它會(huì)去除不必要的神經(jīng)元，因此所需的神經(jīng)元更少，這樣做有助于分離不同記憶的印跡。"

記憶障礙是怎么回事？

這些發(fā)現(xiàn)與理解記憶障礙（如阿爾茨海默病）的問(wèn)題有直接關(guān)聯(lián)。Roy 解釋說(shuō)，為了開發(fā)治療這種疾病的方法，了解記憶的初始形成、鞏固和激活過(guò)程中發(fā)生了什么是至關(guān)重要的。

Roy 說(shuō)：“這項(xiàng)研究告訴我們，記憶功能障礙發(fā)生的一個(gè)很可能的原因是記憶形成后的早期窗口出現(xiàn)了問(wèn)題，那里的記憶印跡一定在改變。”

他目前正在研究早期阿爾茨海默病的小鼠模型，以確定記憶是否正在形成，但沒(méi)有正確地穩(wěn)定下來(lái)。現(xiàn)在我們對(duì)記憶印跡如何形成和穩(wěn)定記憶有了更多的了解，研究人員可以檢查當(dāng)記憶印跡數(shù)量減少時(shí)，哪些基因在動(dòng)物模型中發(fā)生了變化。

“我們可以看看小鼠模型，然后問(wèn)，是否有特定的基因被改變了？如果是這樣，那么我們終于有了可以測(cè)試的東西，我們可以調(diào)節(jié)這些記憶的‘細(xì)化’或‘鞏固’過(guò)程的基因，看看這是否對(duì)提高記憶性能有作用，”他說(shuō)。

Roy 現(xiàn)在在雅各布斯學(xué)院，作為麻省理工學(xué)院 (MIT) 和哈佛大學(xué)博德研究所的麥戈文研究員進(jìn)行了這項(xiàng)研究。

這篇論文的合著者來(lái)自倫敦帝國(guó)理工學(xué)院、奧地利科學(xué)技術(shù)研究所、麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所和中國(guó)清華大學(xué)麥戈文腦科學(xué)研究所以及生命科學(xué)中心。

創(chuàng)立于1846年的布法羅大學(xué)(紐約州立大學(xué)布法羅分校)

參考文獻(xiàn)

Source：University at Buffalo

Research into the nature of memory reveals how cells that store information are stabilized over time

Reference：

Tomé, D.F., Zhang, Y., Aida, T. et al. Dynamic and selective engrams emerge with memory consolidation. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-023-01551-w

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       原文標(biāo)題 : 對(duì)記憶本質(zhì)的研究揭示了儲(chǔ)存信息的細(xì)胞是如何隨著時(shí)間的推移而穩(wěn)定的