2022年04月06日 11:31
【科學快訊】
來源： 神經現實
設想在一個陽光明媚的早晨，你正享受著一碗牛奶麥片，這時一只蜘蛛從天花板墜落並掉進了牛奶中。多年後，面對一碗麥片，你仍然無法克服那種嘔吐感。如今，研究者已經直接觀察到了，在學習這種由情感主導的反應時大腦中發生的變化。今年1月在PNAS上發布的一項最新研究中，一個南加州大學的團隊將實驗魚大腦中的記憶形成過程可視化，讓它們在顯微鏡下通過綠色熒光蛋白成像。基於早期的研究，研究者們一度認為大腦是通過輕微改變其神經結構為記憶編碼的。然而，現在他們卻驚訝地發現了神經聯結之間大規模的修改。
這一發現證實了如下觀點：記憶是涉及混雜的編碼通路的一種複雜現象。由此可見，記憶的種類或許對於大腦如何選擇編碼通路是至關重要的。這個結論也許能夠為解答深度創傷性條件反射的頑固和持久性提供一些思路。
剛出生7天的斑馬魚（zebra fish）幼體的大腦在熒光記號的作用下閃閃發光。這些熒光記號通過基因工程技術被植入斑馬魚的大腦中，從而呈現其中的神經活動。近年來，像這樣被基因改造的魚會被用來研究記憶的形成。
「或許我們正在觀察的是（大腦中）相當於固態硬盤（SSD）的東西。」南加州大學的定量生物學家斯科特·弗雷澤（Scott Fraser）這樣說道。盡管大腦以一種不穩定的、可消除的方式記錄某些類型的記憶，但其中負載恐懼記憶的存儲可能是更穩固的。這也就解釋了為什麼多年後，一些人回憶起這些經曆時有昨日重現的感覺。
研究者們經常在哺乳動物腦頂部的大腦皮層和底部的海馬體中研究記憶。但像杏仁核，即大腦的恐懼調控中心，這樣更深層的結構卻很少被研究。杏仁核專門負責聯想記憶（associative memories），這是由情緒主導的一類重要記憶。這種記憶將迥然不同的東西聯系起來，就像麥片和裏面的蜘蛛。盡管這類記憶十分普遍，但我們對其生成機制卻知之甚少。部分原因在於它們發生在大腦中不太容易觸及的區域。
弗雷澤和他的同事發現了一個避開解剖學的限制的機會，通過斑馬魚知曉更多關於聯想記憶生成方式的信息。魚不像哺乳動物一樣有杏仁核，但它們的大腦皮層（pallium）中存在著與哺乳動物的杏仁核有著類似功能的區域，聯想記憶正是在這裏形成的。皮層更容易研究，弗雷澤解釋道：當一個正在發育的哺乳動物的大腦就像膨脹的氣球不斷變大時，斑馬魚的大腦幾乎在以完全相反的方式向內發展，「就像一個爆米花的玉米粒，皮層由發育前的最中心處向外翻轉到表層，讓我們獲得腦成像」。此外，因為斑馬魚幼體是透明的，研究者能夠直接觀察它們的大腦。
神經科學家們普遍認為，大腦通過調整連接神經元的突觸形成新的記憶。但大多數科學家相信記憶主要是通過輕微調整突觸連接的強度或神經元間刺激信號的強度形成的，弗雷澤如是說。
為了能夠看見這一過程，弗雷澤和他的團隊對斑馬魚進行基因編程，經過處理後，斑馬魚的神經元結合後，突觸部分能夠表達出熒光蛋白，這種標記蛋白*能夠在顯微鏡昏暗的激光燈下閃爍。這項技術真正的挑戰在於「（既）能夠實時記錄變化過程」，與此同時，還要盡可能少地使用燈光，以避免灼傷生物，弗雷澤這樣說道。在研究過程中，研究者不僅看到了單個突觸的位置，而且能夠看到突觸聯結的強度——熒光越明亮，聯結也就越強。
*譯者注
這一指標蛋白在唐·阿諾德（Don Arnold）的實驗室中被創造出來，唐·阿諾德是一位就職於南加利福尼亞大學的生物科學和生物編程專家。
定量生物學家斯科特·弗雷澤和他就職於南加利福尼亞大學的同事觀察斑馬魚大腦中一個不快的聯想記憶的生成方式。
為了能夠催生記憶，弗雷澤和他的團隊將斑馬魚幼體置於燈光和不適宜的熱度的關聯條件下。這與19世紀俄羅斯的生理學家伊萬·巴甫洛夫（Ivan Pavlov）的做法相似：他把鈴聲和食物相關聯，使狗在聽到鈴聲時，便會分泌唾液。而斑馬魚幼體則要學習看到燈光時遊離這裏。（實驗中，斑馬魚幼體的頭被固定著，但尾巴可以自由擺動，作為習得這種行為的指示信號。）研究者分別為魚學習行為的前後的大腦進行成像，並分析神經突觸的強度和位置的變化。
研究結果與期待相左，腦皮質層中突觸強度在學習前後沒有顯著的變化。與此相反，在學會這種行為的魚的腦皮質層中，一些區域的突觸被修剪掉了。其結果正如弗雷澤所說，「就像是修剪盆栽」並移植到他處。
先前研究有時會提道，記憶能夠通過突觸的增加和刪除而形成。但此次實時且大規模的對大腦的可視化表明，盡管研究者已經意識到這種記憶的形成方式十分重要，但其重要性可能遠比他們想象的更大。盡管這一點還沒有得到完全可靠的證明，「但我認為這一研究提供了強有力的證據」，這很有可能是大腦形成記憶的主要方式，就職於都柏林聖三一大學、但未參與到這一研究中的神經科學家托馬斯·裏安（Tomás Ryan）這樣說道。
為了能夠調和最新的研究結果和對記憶生成方式的初始預設，弗雷澤、阿諾德和他們的團隊作出如下假設：記憶的類型能夠指導大腦如何選擇為其編碼。弗雷澤指出，「我們看到的聯想事件或許是最深刻的一種記憶。」對於魚而言，這些事件事關生死，因此「用一種非常強效的方式為這種深刻的記憶編碼也就不足為奇了」。但適用於保存恐懼記憶的方式或許並不適用於稀松平常的記憶。當你學著念某個人名時，你可能「不願意將某些突觸拽離大腦，再加點新的進去」，弗雷澤這樣說道。
弗雷澤和他的團隊希望這一模型最終能夠幫他們探究一些記憶的生成機制，這些記憶能夠引發創傷後應激障礙（PTSD），同時希望它能指向緩解創傷後應激障礙的潛在策略。
但這些發現可能與斑馬魚的年齡相關性更強，而與記憶類型關系不大，另一位沒有參與到這一研究中的心理學家克裏夫·亞伯拉罕（Cliff Abraham）對研究提出質疑，他目前就職於新西蘭奧塔戈大學。他還進一步指出，「我們知道，經驗能夠導致很多修剪和突觸重組，這些重組現象是在大腦的不同部分的發展過程中觀察到的。」如果研究者觀察的是成年斑馬魚，他們可能得到不同的結果。對成年斑馬魚的觀察比較困難，因為它們並非完全透明，而且有著更複雜的腦組織。
他還補充道，這篇文章是「技術上的傑作」，但它僅僅針對記憶形成謎題中的一個小部分。關於記憶，還有很多留待回答的問題，例如，那些記憶和突觸的變化會在斑馬魚身上留存多久。
這些研究者們希望了解這一發現是否能夠轉移到有著更大的大腦的動物甚至是哺乳動物身上，並觀察檢驗斑馬魚和其他動物如何形成較少負載情緒的、較少創傷性的記憶。弗雷澤說，「我想每個人都認為，存在一個整全的序列，記錄著所有大腦儲存記憶的方式。美妙的是，我敢打賭他們都是正確的。接下來的問題是：這些不同的記憶生成方式如何一起工作？」
作者：Yasemin Saplakoglu|封面：Jack Bloom
翻譯：Muchun |校對：eggriel
編輯：山雞 |排版：平原
原文：
