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大脑将记忆储存在一个临时的“缓存”中(我们可以读它)
在实验室中培养的老鼠神经元(变亮并着色)。资料来源:凯尔西·蒂索夫斯基(CC BY-ND)

我婚礼上的第一支舞持续了4分52秒,但我可能会记得它几十年。神经科学家仍然不能完全理解这一点:我的大脑是如何将这不到五分钟的经历转化为终生记忆的?部分原因在于经验和记忆之间存在差距:我们的经验是短暂的,但需要几个小时才能形成长期记忆。

在最近工作发表在《神经元》杂志上,我的的同事们弄清楚了大脑是如何保存短暂经历的临时分子记录的。我们的发现不仅有助于解释大脑如何架起经验和记忆之间的桥梁。它也允许我们读取大脑的短期记录,提高了一种可能性,即我们可能有一天能够通过观察大脑中的分子来推断一个人,或者至少是一只实验鼠,过去的经历——他们看到了什么,想了什么,感觉了什么。

大脑的哪个部分储存记忆?

大脑的哪个部分储存记忆?电脉冲携带信号前进
神经元的分支。资料来源:圣地亚哥Ramón y Cajal (CC BY)

令人振奋的经历

为了揭示大脑是如何记录动物的经历的,我们首先要了解大脑是如何记录它的脑电活动的。你的每一次经历,从和朋友聊天到闻薯条,都对应着神经系统和大脑中独特的电活动模式。这些活动模式是由哪些神经元是活跃的以及它们以何种方式活跃来定义的。

例如,你在健身房举重。哪个神经元是活跃的很简单:如果你用右臂举起重物,不同的神经元会比你用左臂举起重物时更活跃,因为不同的神经元连接着每只手臂的肌肉。

另一方面,神经元的活动方式包含了无限的可能性。神经元的活动由电脉冲组成,随着时间的推移,可以以你能想象到的任何模式发生。电活动可以在持续时间上变化,或者脉冲是成群发生还是稳定发生。在这种情况下,举起重物会导致每分钟脉冲数

所以,神经元的活跃程度和它们跳动的频率决定了你用右手举起10磅重物的体验和用左手举起5磅重物的体验是不同的。

激活的神经元激活基因

在我们的实验中,我们无法测试每一种可能的电活动模式,所以我们只关注神经元记录活动时间的方式。

我们预测他们会通过开启基因来保存这些记录。你体内的所有细胞的DNA中都有几乎相同的基因编码。但是不同的基因取决于细胞的类型和它在生命中遇到的情况。在一个特定的细胞中哪些基因被激活是它不同于其他细胞的原因。

大约30年来,研究人员已经知道神经元开启某些基因它们是电活性的。当神经元中的一个基因被打开时,细胞就会发送一个分子复印机到DNA中该基因的位置。分子复印机以新分子的形式对基因进行大量复制。这些新分子不是由DNA组成的,而是由密切相关的RNA组成的。这些RNA分子会在细胞内停留数小时到数天,并记录大脑中哪些神经元是活跃的。

但我们想知道,神经元中的基因是否不仅能记录它们的活动情况,还能记录它们活动的方式。也就是说,不同的神经元被激活的时间不同吗?比如,激活的时间长短不同,激活的基因不同吗?

我们认为是这样的:长期记忆储存在神经元自身的物理变化中,而这种变化的类型取决于神经元所经历的电活动模式。所以我们预测,大脑不仅需要记录哪些神经元是活跃的,还需要记录这些神经元是如何活跃的,以便产生持久的变化。

研究人员激活了在培养皿中生长的老鼠神经元。

研究人员激活小鼠神经元
在培养皿中生长资料来源:凯尔西·蒂索夫斯基(CC BY-ND)

在我们的实验中,我们将培养皿中生长的老鼠神经元暴露在一种化学物质下,激活它们。只要这种化学物质存在,神经元就会处于活跃状态,使我们能够在不同的时间内保持激活状态。

我们确实发现,在一个培养皿中,被激活不同时间长度的神经元会开启不同的基因。而且这种基因记录的保存出奇的简单:神经元活跃的时间越长,激活的基因就越多。

事实证明,不仅在培养皿中生长的神经元中如此,在活老鼠的大脑中也是如此。通过将老鼠暴露在明亮的灯光下,我们能够在灯开着的时间内激活它们大脑视觉中心的神经元。灯光照射的时间越长,打开的不同基因就越多,它们的RNA拷贝就会在细胞中积累起来。这意味着,在短暂活跃的神经元中发现的一系列分子与在长期活跃的神经元中发现的分子不同。

这种简单的记录存在于活老鼠的大脑中,这表明它很可能也存在于人类的大脑中。

每个神经元都有一个隐喻的机器,将其电活动转化为分子记录。

每个神经元都包含一个隐喻
转换其电力的机器
转化成分子记录。照片来源:Anastasia Nizhnik和Kelsey Tyssowski
(CC BY-ND)

突发新闻的临时记录

我们的工作只是解释了神经元是如何记录它们活动的时间的,但我们认为神经元可能以同样的方式很好地记录它们活动的所有方面。但是为什么大脑会保存这种动物经历的分子记录呢?

我认为这些分子记录就像一份报纸。大脑通过开启特定神经元中的特定基因来记录每一次经历。这些文章——以RNA分子的形式——将在周围停留数小时到数天。但是,就像几天前的报纸通常会被丢弃一样,被激活基因的副本也不是大脑数十年的记忆故事的方式。

相反,大脑读它的临时报纸状记录来写它的历史书:长期记忆。当你的大脑储存了一段经历的记忆,它物理上改变连接在经历激活的神经元之间。这些变化会持续一生——就像我婚礼的记忆一样。我们的研究小组认为,神经元中的基因可能会告诉它应该做出什么样的改变,就像报纸上的文章告诉学者应该在历史书上写什么一样。

阅读记录

我和我的同事认为,如果大脑在书写长期记忆时能够读取这些分子记录,我们也应该能够读取它们。像任何可靠的记录一样,在短时间和长时间的活动中激活的基因是可以预测的。事实上,它们是如此的容易预测,我们可以通过观察一组神经元激活了哪些基因来判断它们是激活了很长一段时间还是短时间。

到目前为止,我们只能读取神经元的活动时间,但如果我们能完全读取大脑的记录,我们就可以通过观察大脑中的RNA分子来推断一个人一天的经历。我们可以观察你神经元里的基因,找出在你今天早上的锻炼中,你用右手举起了5磅,不是10磅,而不是左手。我们可以看出你是在做今晚约会的白日梦。

不幸的是,对于那些有抱负的读心者来说,他们愿意抛开任何道德上的疑虑,实际上是不可能观察活人大脑中存在的分子的,而且可能在可预见的将来也不会。此外,我们还不能完全理解哪种大脑活动模式与哪种经历相对应。所以,即使我们能流利地阅读这些记录,我们也不可能推断出经验。

相反,我们希望了解大脑的记录将为试图找出经验和大脑活动之间的对应关系的研究人员提供一种更容易的方法来测量实验动物的大脑活动。目前的技术效率不高,只能实时测量大脑活动,因此读取大脑的基因记录可以使这些实验更可行。

因此,虽然人类的分子读心术目前还停留在科幻小说的阶段,但我们的工作已经开始允许科学家们阅读实验室小鼠大脑中的记录。这是理解大脑如何将体验转化为电活动再转化为记忆的一步。

···

Kelsey Tyssowski一个生物医学专业的研究生在哪里哈佛大学。这篇文章是首次发表在The Conversation网站上

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