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大腦的記憶「芯片」在哪裡﹖
無論是小朋友第一次記住回家的路﹐還是在朋友生日的時候第一時間送上祝福。記憶在人類的高級認知活動中無疑擁有不可替代的重要地位﹐人類之所以能夠認識世界和改造世界﹐關鍵在於人類大腦有超凡的思維能力和記憶能力。大腦的記憶存儲位置在哪兒﹖大腦如何進行記憶分類檢索和控制﹖
刊載於美國有線電視新聞網站上的一則研究又將人們的視線拉回記憶這一話題。這項研究中﹐紐約洛克菲勒大學的研究人員為老鼠開發了一個迷宮實驗﹐試圖解開長時記憶的存儲之謎。從保持時間長短上, 記憶可以分為感覺記憶﹑短時記憶和長時記憶。人的感覺記憶類似鍵盤和攝像頭﹐從外界感知到的視覺﹑聽覺等所有刺激在轉化為信息之後都會在感覺記憶中登記。它只能保持極短的時間﹐容量也極為有限。大部分信息在感覺記憶階段就會消失﹐少部分信息因得到注意而進入短時記憶並在幾分鐘內指導人們執行決策﹐幫助人們完成當下任務。但短時記憶的容量也較為有限。隨後, 一些重要的短時記憶被進一步加工﹐進入長時記憶的倉庫﹐保存幾天甚至幾年﹑幾十年的時間。長時記憶的容量一般被認為上限很高﹐甚至沒有明顯上限。但與短時記憶相比﹐其回憶和再認是一大難點﹐也是記憶相關訓練著重加強的部分。
那麼﹐這些不同類型的記憶都儲存在大腦哪裡呢﹖一般認為﹐記憶形成信號主要存儲在大腦皮層﹑小腦﹑海馬體和杏仁核等大腦結構中。其中大腦皮層和海馬體是記憶相關的關鍵部位。位於內側顳葉的海馬區是記憶加工的重要場所﹐這個海馬狀結構位於太陽穴向內幾厘米﹐對短時記憶的加工﹑存儲以及長時記憶的提取都尤為重要。記憶能力與海馬體的激活﹑海馬中新神經元的產生速度以及海馬結構的大小相關。2006年一項發表於《科學》雜誌的研究利用電生理和分子生物學技術解釋了為什麼內側顳葉損失之後無法建立新記憶。
隨著時間的推移﹐形成已久的記憶逐漸表現出獨立於海馬的趨勢。20世紀中後期和本世紀初的研究都表明﹐短時記憶主要由海馬組織加工﹐而長時記憶很大程度上依賴大腦皮層﹐例如前額葉和前扣帶回皮質等聯合皮層區域。大腦皮層是整個中樞神經的最高級中樞﹐其高度進化也是哺乳動物進化的標誌。其中位於兩眼正中的前額葉皮層與語言記憶等高級認知功能密切相關。海馬能處理儲存的信息較為有限﹐因此適合處理短時需要注意的信息﹐而隨著海馬與皮層的溝通﹐短時記憶進入長時記憶﹐前額葉皮層也不斷被激活﹐長時記憶最終被固化下來。
2021年復旦大學發表在《自然·通訊》雜誌的研究成果進一步顯示﹐長時記憶中的語義記憶和情景記憶擁有一個共用的神經環路﹐其中左側額下回和前島葉皮層與腹內側前額葉皮層的功能連接減弱與兩種記憶提取的更好表現有關。近年來﹐隨著研究深入﹐我們對記憶的認識有了以下幾方面進展﹕
第一﹐科學家逐漸意識到﹐記憶並不是像倉庫裡的商品一樣固定地儲存於某個腦區裡。「並不是說每段記憶都會被存放在一個細胞裡﹐然後填滿整個大腦。」密蘇里大學的認知心理學家尼爾森·科萬指出。記憶的過程依賴不同大腦結構之間的網狀連接形成具有不同功能的神經環路。受到激發的神經元連成一系列的細胞集群作為信號單位按順序激發而構成的神經編碼﹐就代表一組記憶。
第二﹐人們對記憶相關的大腦結構有了更精細化的認識。從海馬到大腦皮層之間的神經通路也在逐漸被填補。在文章開頭提到的研究中﹐來自美國洛克菲勒大學的研究人員確定了前端丘腦是連接海馬體和大腦皮層的一個大腦區域﹐是記憶鞏固過程的關鍵。
在這項研究中﹐為了弄清楚在海馬體的短期任務和大腦皮層的長時記憶之間發生了什麼﹐科學家們需要記錄大腦連續幾周內的活動。現有電生理研究可以同時捕捉多個腦區﹐但在時間尺度上較為受限。傳統的顯微鏡雖然可以記錄數周的大腦活動﹐但它們一般只能關注大腦的一個狹窄區域。於是研究人員開發了一種新的三通路單細胞成像技術﹐在幾周內觀察追蹤海馬體和大腦皮層中間區域中的神經元﹐以此研究小鼠的記憶如何鞏固。他們讓小鼠在一個不斷旋轉的泡沫塑料球上原地跑步﹐同時觀看虛擬現實迷宮﹐就像超級馬里奧遊戲中那樣。迷宮裡有些是高級獎勵﹐有些是消極刺激。一個月後﹐這些小鼠只記得那些包含獎勵的區域。
在這個過程中﹐研究人員記錄小鼠不斷的記憶過程並測量其神經回路的差異。他們後續的研究發現前端丘腦這一結構在小鼠的記憶鞏固中起著關鍵作用。在隨後的兩個實驗中﹐研究人員發現﹐抑制前端丘腦會破壞小鼠長期記憶的形成。反之﹐強化前端丘腦會保留原本不會被長期儲存的記憶﹐並使它們繼續保持。
研究人員表示﹐這項發現的意義在於它利用新的成像技術在時間和空間尺度上同時進行了突破性拓展﹐同時也發掘出前端丘腦這個促進記憶由起點向終點轉變的「守門員」﹐為進一步揭示短期記憶與長期記憶的關係打開了突破。該研究發現有望在未來應用於與記憶障礙相關的多種神經退行性疾病的診斷與治療﹐如阿爾茨海默症﹑健忘症等。
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