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【Science】MIT研究长期记忆神经回路,海马体和新皮层记忆同时产生

来源:新智元 2017-04-11 11:30

当我们拜访一个朋友或去海滩时,大脑会在一个叫做海马体的部分存储短期的记忆。一段名为海马脑部的经验的短暂记忆。这些记忆之后会被“巩固”——即转移到大脑的另一部分进行长期存储。

一项最新的针对基于这一过程的神经回路的MIT 研究首次揭示出,记忆是在海马体和大脑皮层中的长期储存区同时形成的。然而,在到达成熟状态之前,这一长期记忆会保持长达两周的“沉默”。

“论文中的这一成果及其他研究结果为记忆的巩固提供了一个全面的神经回路机制。”本研究的高级作者 Susumu Tonegawa 表示。Susumu Tonegawa 是 Picower Professor of Biologyand Neuroscience,同时也是 Picower Institute forLearning and Memory 的 RIKEN-MIT Center for NeuralCircuit Genetics 的主任。

研究人员说,4月6日在 Science 发表的研究结果可能会使得关于记忆巩固如何发生的主要模式发生一些修正。

论文的主要作者是研究科学家 TakashiKitamura ,博士后 Ogawa,研究生 Dheeraj Roy。其他作者有博士后 TeruhiroOkuyama 和Mark Morrissey,技术助理 Lillian Smith 和前博士后 Roger Redondo。

记忆的长期存储

从20世纪50年代开始,对著名的遗忘症患者 Henry Molaison (当时只称为患者H.M.)的研究表明,海马体对于形成新的长期记忆至关重要。Molaison 在控制癫痫发作的手术期间损伤了海马体,术后无法再存储新的记忆。然而,他仍然可以回忆起手术前的一些事情。

这表明长期的情景记忆(特定事件的记忆)被存储在海马体外。科学家认为这些记忆存储在新(大脑)皮层中(neocortex),大脑的这一部分也负责认知功能,如注意力和规划。

神经科学家已经开发了两个主要模型来描述记忆是如何从短期转化为长期的。最早的标准模型提出,短期记忆最初只形成并存储在海马体中,然后逐渐转移到新皮层长期储存并从海马体中消失。

多重跟踪模型,一个新近的模型,表明情景记忆的痕迹留在海马体。这些痕迹可以存储记忆的细节,而记忆的轮廓则存储在新皮层中。



图中显示的是对前叶皮层中永久记忆至关重要的记忆痕迹细胞(绿色和红色)

迄今为止还没有好的方法来测试这些理论。此前大多数关于记忆的研究都是基于分析特定大脑区域的损伤是如何影响记忆的。然而,在2012年,Tonegawa 的实验室研发了一种标记 engram (记忆痕迹)细胞的方法,这种细胞包含记忆的痕迹。这种方法使研究人员得以追踪记忆存储和找回过程中的神经回路。他们还可以通过使用光遗传学技术以人工方式重新激活记忆,这种技术可以以光控方式打开或关闭目标细胞。

在新的 Science 研究中,研究人员使用这种方法在恐惧反应实验中标记小鼠的记忆细胞,在此实验中,当小鼠进入特定小室中时会被轻微电击。

然后,他们在不同的时点用光控的方式人工激活这些记忆细胞来观察这些激活行为是否引发了小鼠的行为反应(停在原地不动)。研究人员还可以判定,当小鼠被放置在恐惧条件发生的小室并自然引发它们之前关于恐惧的记忆时,它们的哪些记忆细胞是活跃的。

研究人员标记了大脑三个区域的记忆细胞:海马体、前额叶皮层和存储记忆中情绪联系的基底外侧杏仁核。

研究人员在恐惧反应实验发生后一天,发现事件的记忆被存储在海马体和前额叶皮层的 engram 细胞中。然而,前额叶皮层中的 engram 细胞是“沉默的”——当被人为地用光激活时,它们可以引发僵住不动的行为,但是在自然回忆期间它们没有激活。

Kitamura 说:“前额叶皮层已经包含了特定的记忆信息。这与记忆巩固的标准理论(逐渐转移记忆)相反。记忆已经在那里了。”

在接下来的两周中,如解剖和生理活动变化所反映出的那样,前额叶皮层中沉默的记忆细胞逐渐成熟,直到这些细胞成为动物自然回忆事件的必需品。在这一时期结束时,海马体的 engram 细胞变得沉默,在自然回忆中不再需要。然而,记忆的痕迹仍然存在:用光还原这些细胞仍然会促使动物保持不动。

在基底外侧杏仁核中,一旦形成记忆,engram 细胞会在整个实验过程中保持不变。这些细胞,是唤起与特定记忆相关的情绪所必需的,它们会与海马体和前额叶皮层中的 engram 细胞进行通信。

理论修订

研究结果表明,传统的记忆巩固理论可能不准确,因为在训练当天,记忆同时在前额叶皮层和海马体中快速形成。

“它们平行地形成,但是从那里走上了不同的路。前额叶皮层变强,海马体变弱。”Morrissey 说。

Neurobiology Laboratory atthe Hospital for Sick Children in Toronto 的首席研究员 Paul Frankland (他并未参与本研究)表示:“论文清楚地表明,从前瞻性的角度来看,engram 是在前额叶皮层形成的,这挑战了记忆痕迹从海马体向皮层转移的认识,并指出这些神经回路在同时工作。随着时间的增加,当记忆被回忆起来时,神经回路的平衡发生了变化。”

需要进一步的研究来确定记忆是否完全从海马体细胞中消失,或者是否会留下痕迹。现在,研究人员只能监测大约两周的 engram 细胞,但是他们正在努力使这一时间变得更长。

Kitamura 说他认为一些记忆痕迹可能会无限期地停留在海马体中,存储一些仅偶尔会被检索到的细节。他说:“为了区别两个类似的情节,这个沉默的记忆痕迹可能会重新激活,人们可以检索详细的情景记忆,即使在非常久以前。”

研究人员还计划进一步研究前额叶皮层中的记忆痕迹的成熟过程是如何发生的。这项研究已经表明,前额叶皮层和海马体之间的沟通是至关重要的,因为阻断连接这两个区域的神经回路阻止了皮层记忆细胞的正常成熟。

这一研究由 RIKEN Brain Science Institute、Howard Hughes MedicalInstitute 和 JPB Foundation 资助。

原文地址:http://news.mit.edu/2017/neuroscientists-identify-brain-circuit-necessary-memory-formation-0406

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