神經(jīng)科學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

1月19日消息

想想你在短時間內(nèi)有兩種不同但相似的經(jīng)歷。也許你在同一周內(nèi)參加了兩個節(jié)日聚會，或者在工作中做了兩次演講。不久之后，你可能會發(fā)現(xiàn)自己混淆了這兩次經(jīng)歷，但隨著時間的推移，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（University at Buffalo，UB）領(lǐng)導的一項新研究揭示，這一過程發(fā)生在細胞水平上，這一發(fā)現(xiàn)對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》（Nature Neuroscience）雜志上，論文題目：“記憶鞏固過程中會出現(xiàn)動態(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

動態(tài)印跡存儲記憶

這項研究的重點是記憶印跡（Engrams），這是大腦中存儲記憶信息的神經(jīng)元細胞。“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，他是這篇論文的資深作者之一，也是布法羅大學雅各布斯醫(yī)學和生物醫(yī)學科學學院生理學和生物物理系的助理教授，“當記憶印跡被破壞，你就會失憶。”

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

他解釋說，在經(jīng)歷之后的幾分鐘或幾小時內(nèi)，大腦需要鞏固記憶以存儲它。“我們想知道：在這個整合過程中發(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)了一個從感官信息（刺激）開始的學習和記憶形成的計算模型。一旦信息到達海馬體（大腦中記憶形成的部位），不同的神經(jīng)元就會被激活，其中一些是興奮的，另一些是抑制的。

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

Roy 解釋說：“記憶回憶過程中記憶印跡細胞的激活不是一個有或無的過程，而是通常需要達到一個閾值（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胞的數(shù)量隨著時間的推移而減少，這意味著它們本質(zhì)上是動態(tài)的，所以下一個關(guān)鍵問題是這是否有行為后果。”

記憶辨別需要動態(tài)印跡

他說：“在學習后的鞏固階段，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胞的數(shù)量隨著時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間的推移而增強。這就像你的記憶最初是一條高速公路，但隨著時間的推移，在幾分鐘到幾小時的鞏固期，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 和團隊的實驗人員現(xiàn)在有了一個可測試的假設(shè)，他們用小鼠進行了一個完善的行為實驗。小鼠被短暫地暴露在兩個不同的盒子中，這些盒子有獨特的氣味和光照條件，其中一個是中性環(huán)境，但在第二個盒子里，它們接受了輕微的足部電擊。

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

利用一種光敏技術(shù)，當小鼠探索盒子時，研究小組能夠檢測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)標記活躍的神經(jīng)元，然后測量有多少神經(jīng)元被大腦重新激活以進行回憶。他們還進行了一些實驗，讓單個印跡細胞可以在經(jīng)歷和時間中被追蹤。“所以我可以逐字逐句地告訴你一個記憶細胞或它們的一個子集是如何在不同的時間內(nèi)對每個環(huán)境做出反應的，并將這與它們的記憶辨別相關(guān)聯(lián)，” Roy 解釋說。

該團隊最初的計算研究預測，單個記憶中涉及的記憶印跡細胞的數(shù)量會隨著時間的推移而減少，動物實驗證實了這一點。

他解釋說：“當大腦第一次學習某樣東西時，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。當大腦穩(wěn)定神經(jīng)元，鞏固記憶時，它會去除不必要的神經(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�。�的問題有直接關(guān)聯(lián)。Roy 解釋說，為了開發(fā)治療這種疾病的方法，了解記憶的初始形成、鞏固和激活過程中發(fā)生了什么是至關(guān)重要的。

Roy 說：“這項研究告訴我們，記憶功能障礙發(fā)生的一個很可能的原因是記憶形成后的早期窗口出現(xiàn)了問題，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，但沒有正確地穩(wěn)定下來。現(xiàn)在我們對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記憶印跡數(shù)量減少時，哪些基因在動物模型中發(fā)生了變化。

“我們可以看看小鼠模型，然后問，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試的東西，我們可以調(diào)節(jié)這些記憶的‘細化’或‘鞏固’過程的基因，看看這是否對提高記憶性能有作用，”他說。

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

這篇論文的合著者來自倫敦帝國理工學院、奧地利科學技術(shù)研究所、麻省理工學院麥戈文腦研究所和中國清華大學麥戈文腦科學研究所以及生命科學中心。

創(chuàng)立于1846年的布法羅大學(紐約州立大學布法羅分校)

參考文獻

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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       原文標題 : 對記憶本質(zhì)的研究揭示了儲存信息的細胞是如何隨著時間的推移而穩(wěn)定的