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實習醫生日記之頑固失眠

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實習醫生日記之豬蹄腳

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美研究人員尋找記憶的痕跡

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摘要:對于不是神探夏洛克超級粉絲的人來說認知神經科學家對這部英國廣播公司的熱播偵探劇的了解比大多數人多當觀眾觀看這部電視劇的第一集然后描述其情節時能在腦部掃描儀的幫助下監視他們的腦子里正在發生什么是美國約翰斯霍普金斯大學的研究人員她聽過各種關于一幕前期劇情即一名女性在太平間和這位以冷漠著稱的偵探調情的不同描述一些人認為夏洛克福爾摩斯

 

美研究人員尋找記憶的痕跡

對于不是《神探夏洛克》超級粉絲的人來說,認知神經科學家Janice Chen對這部英國廣播公司的熱播偵探劇的了解比大多數人多。當觀眾觀看這部電視劇的第一集然后描述其情節時,Chen能在腦部掃描儀的幫助下監視他們的腦子里正在發生什么。

Chen是美國約翰斯·霍普金斯大學的研究人員。她聽過各種關于一幕前期劇情,即一名女性在太平間和這位以冷漠著稱的偵探調情的不同描述。一些人認為夏洛克·福爾摩斯很粗魯,而在另一些人看來,他并未覺察到這名女性略帶緊張的挑逗。不過,當掃描觀眾的大腦時,Chen和同事發現了一些奇怪的事情:當不同的人就同一場景再次講述自己的版本時,他們的大腦產生了極其相似的活動模式。

Chen是越來越多的利用大腦成像辨別同創建和回憶特定記憶相關的活動模式的研究人員之一。過去10年間,人類和動物神經科學領域強有力的技術創新正在使研究人員得以揭開關于個人記憶如何形成、組織和相互作用的基本規律。

尋找印跡

單一記憶(也被稱為印跡)的痕跡一直無法被追蹤到。美國心理學家Karl Lashley是最早追尋它并將大半職業生涯用于此項探索的研究人員之一。從1916年開始,他訓練小鼠跑著穿過一個迷宮,然后破壞掉它們的大腦外表面——大量的腦皮質。此后,Lashley再次將小鼠放到迷宮中。通常,受損的腦組織不會產生太大區別。年復一年,小鼠記憶的實體位置變得難以捉摸。Lashley在1950年總結這項雄心勃勃的任務時寫道:“在審查關于記憶痕跡位置的證據時,我有時覺得必需的結論是學習是不可能的。”

事實證明,記憶是一種分布式的過程,不屬于大腦的任何一個區域。不同類型的記憶涉及大腦中不同的區域。諸如海馬體等很多對于編碼和提取記憶至關重要的結構都位于腦皮質外面,而Lashley在很大程度上未注意到它們。如今,大多數神經科學家相信,特定的經歷會引發這些區域的細胞子集放電、改變其基因表達、形成新的連接,并且改變現有連接的強度。這些變化共同存儲了記憶。根據現有理論,當這些神經元再次放電并且重新播放同過去經歷相關的活動模式時,回憶便會發生。

不過,測試關于神經元組如何儲存和提取特定信息的更高級理論仍具有挑戰性。只有在過去十年間關于標記、激活和沉默動物體內特定神經元的新技術出現,研究人員才得以闡明哪些神經元構成了單一記憶。

加拿大多倫多兒童醫院神經科學家Sheena Josselyn是幫助引領這一研究浪潮的科學家之一。她的一些早期研究捕捉到小鼠的印跡神經元。2009年,Josselyn及其團隊提高了杏仁核(同處理恐懼相關的大腦區域)的一些細胞中被稱為CREB的關鍵記憶蛋白水平,并且證實這些神經元極有可能在小鼠學習并且隨后回憶一種將聽覺音調和足底電擊聯系起來的可怕經歷時放電。研究人員推斷,如果這些CREB水平被提高的細胞是恐懼印跡的重要部分,那么消除它們將“擦掉”同該音調相關的記憶并且移除小鼠對它的恐懼。為此,該團隊利用一種毒素殺死了這些神經元。研究發現,小鼠永遠忘記了它們的恐懼。

技術進步催生變革

對人類進行大腦成像的技術進步,正在使研究人員得以縮小并且觀察構成印跡的大腦活動范圍。使用最廣泛的技術——功能性磁共振成像(fMRI)無法對單個神經元成像,但能展現不同大腦區域的各種活動。傳統上,fMRI被用于挑選對各種任務作出最強烈反應的區域。但近年來,強有力的分析揭示了人們回憶特定經歷時出現的不同的大腦活動模式。“這是認知神經科學領域最重要的變革之一。”賓夕法尼亞大學神經科學家Michael Kahana表示。

一種名為多體素模式分析(MVPA)的技術的發展為這場變革提供了催化劑。這種有時被稱為解碼大腦的統計手段通常將fMRI數據輸入可自動學習同特定想法或經歷相關的神經模式的計算機程序。2005年,還在讀研究生的Sean Polyn(目前是范德堡大學的神經科學家)幫助主導了一項首次將MVPA用于人類記憶分析的開創性研究。試驗中,志愿者們研究名人的照片、位置和常見物體。利用在此期間收集的fMRI數據,研究人員訓練計算機程序辨別同研究每個類別相關的活動模式。

隨后,當受試者躺在掃描儀上并且列舉出所有他們能記住的物品時,范疇化的神經特征在作出反應前的幾秒鐘內再次出現。例如,在說出某個名人的名字前,“像明星一樣”活動模式出現,包括一個處理面部的腦皮質區域被激活。這是關于人們提取特定記憶時大腦會重訪編碼該信息時所處狀態的直接證據之一。“這是一篇非常重要的論文。”Chen表示,“我認為自己的工作是這項研究的直接分支。”

融合記憶

隨著新技術增加了對印跡的了解,科學家不僅開始研究個人記憶如何形成,還開始關注記憶如何相互作用并且隨著時間流逝發生改變。

在紐約大學,神經科學家Lila Davachi正利用MVPA研究大腦如何對共享重疊內容的記憶進行分類。2017年,在一項同Alexa Tompary(當時是Davachi實驗室的研究生)合作開展的研究中,他們向志愿者展示了128個物體的照片。每個物體都同4種場景里的一種配對,比如海灘景色伴隨著杯子出現,都市風光同傘配對。每個物體僅和一種場景同時出現,但很多不同物體伴隨著同一場景出現。起初,當志愿者將物體同相應場景配對時,每個物體都會引發一種不同的大腦激活模式。但一周后,對于和相同場景配對的物體,在這項回憶任務期間出現的神經模式變得更加相似。大腦根據共享的場景信息再次組織了記憶。“這種聚類代表了學習要點信息的開始。”Davachi介紹說。

得克薩斯大學神經科學家Alison Preston開展的研究顯示,對相關信息進行聚類還能幫助人們利用此前知識學習新事物。在一項2012年的研究中,Preston團隊發現,當一些人觀看一組圖像(比如籃球和馬)并在隨后觀看另一組擁有共同物品(比如馬和湖泊)的圖像時,他們的大腦會重新激活同第一組圖像相關的模式。這種再激活似乎將相關的圖像組“綁在”一起。在學習期間展現出這種效應的受試者,能在隨后更好地辨別出未同時出現的兩張圖像之間的關聯(在上述情形下是籃球和湖泊)。“大腦正在產生代表了超出直接觀察范圍的信息和知識的連接。”Preston解釋說,這一過程可在諸多日常活動中派上用場,比如通過推斷一些已知路標之間的空間關系,在不熟悉的環境中導航。同時,將相關信息連接起來從而形成新的想法,對于培養創造性或者想象未來場景也很重要。(生物谷Bioon.com)

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