寻找记忆痕迹

科学24小时Science in24hours2018年第4期
俞之凡
什么是记忆？1904年，德国生物学家理查德·西蒙提出了一簇簇离散的大脑细胞结合在一起形成记忆痕迹的理论，他将这种假想中的物理电路印迹称为“记忆印迹”或“记忆痕迹”。

“记忆痕迹”在科学教（Sci-
entology）和科幻小说中是一个有着强大生命力的题材。

为证明记忆痕迹在大脑中的真实存在，科研人员就要用光激活的“镊子”将精细的记忆痕迹“电路”挑拣出来。

2012年，美国麻省理工学院实验室的研究人员使用这样的“光镊子”首次发现了记忆痕迹的真实存在。

研究
揭示，记忆痕迹在大脑海马体部分形成，然后上传存储到最外层的大脑皮层。

人类记忆如何形成并存储的第一个实验证据可以追溯到1953年。

时年27岁的美国人亨利·莫莱森接受了海
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Rui Jujiao ·聚焦
锐
马体切除手术，以治疗频繁的癫痫发作。

但是令他的外科医生感到恐惧的是，手术也破坏了他的大脑创建新记忆的能力，尽管他仍然保留了过去的记忆。

这个意外的实验揭示了海马体编织新记忆的功能，尤其是与“情景”密切相关的记忆，比如，你某天早上在公园里散步时的所见所闻。

然而，这些记忆细节并不是一直存储在海马体中的。

随着时间的推移，它们被转移到外部脑皮层。

我们从一些实验中得知，当患者的外部脑皮层部分受到电刺激时，就会回忆起某些特定记忆。

记忆上传到大脑皮层通常会涉及到一个信息压缩的过程，这有点像我们压缩计算机文件进行长期存储的方式。

日本脑科学研究所和美国麻省理工学院在之前一项合作研究中，通过一种称为“光遗传学”的先进技术，发现了这种记忆印迹，并以德国生物学家理查德·西蒙之名将其命名为“西蒙印迹”。

研究者认为，某个记忆会在大
脑中留下物理痕迹，当大脑受到相应
刺激时就能将这段记忆激活。

早在几十年前，在研究人员了解
神经元通过电脉冲发送信号之前，西
蒙就提出了这一想法。

自那以后，研
究人员解开了神经元之间通过大量
生物电信号传递信息的奥秘，并揭示
了学习和记忆与神经元之间的连接
或突触增强之间的联系。

然而，无人能将大脑中特定的神
经元集合与特定记忆相匹配。

1999
年，诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克
认为，要破解大脑记忆的奥秘，可以
用光脉冲来激活生物体大脑中的单
个神经元。

他写道：“这听起来似乎
有点玄，但并非不可想象，分子生物
学家有可能设计一种特定类型的光
敏细胞。

”在他提出这个想法仅6年
后，美国斯坦福大学的神经科学家就
在光遗传学领域内取得了突破性的
进展。

他们选择了一种绿藻光敏感
通道蛋白用作“光敏开关”，将克里克
的设想变成了现实。

研究人员以某种感染病毒为载
体，将单个光敏感通道蛋白基因插入
到单个神经元中，并确保只让最近产
生记忆的细胞产生光开关基因，新产
生记忆的细胞会生成一种叫做“c-
fos”的蛋白质，因而光开关基因被设
计成只在生成c-fos蛋白的细胞中
产生。

2012年，研究人员利用这种光
基因技术证明了恐惧记忆印迹的存
在。

一只老鼠被放入一个四壁有着
独特图案，地面有着独特纹理的箱子
里，每次将它放进箱子里时，就向它
施以电击。

经过多次电击带来的恐
惧之后，只要将它放进箱子里，即使
没有对它施加电击，也足以令它产生
害怕畏缩的反应。

研究人员还发现海马体中有一
组细胞在积极地制造光敏开关。

这
一确凿证据表明，这些细胞都参与了
记忆的形成过程。

为了证明这一点，
科学家们将一束光纤探针插入老鼠
大脑，并抵达海马体瞄准了这些细
胞。

当蓝光扫过海马体时，老鼠明显
被吓呆了，似乎重新体验了在电击箱
里受电击时的记忆。

这是首次发现
记忆痕迹存在的证据，证明一组几百
个细胞在受到光刺激时，记忆被重播
出来。

在这项研究中，研究人员还想知
道，随着时间的推移，小鼠海马体中
的记忆痕迹会发生怎样的变化。

研
究表明，大脑皮层中的一小块特殊区
域——前额叶皮层是恐惧记忆最终
被储存起来的地方，因此研究人员用
含有光开关基因的病毒感染了前额
叶皮层的细胞。

令人惊讶的是，用光
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刺激前额叶皮层细胞也可触发记忆，证明记忆印迹似乎也同时上传到了前额叶皮层。

这一发现令人吃惊，因为这表明皮质记忆可能是在同一天创建的，而不是如设想中那样逐渐形成的。

然而，当研究人员将老鼠放进电击室，曾经的记忆让它产生畏缩害怕情绪时，前额叶皮层的相应细胞却没有反应（对分离出的大脑组织化学活性的检查也证实了这一点）。

只有在电击体验几周后，再将老鼠放进电击室时，前额叶皮层的细胞才被激活，
而与之相反，海马体的这一记忆印迹
则开始消退。

由此可见，长期的记忆存储，一
开始只是在大脑前额叶皮层形成一
个“沉默”的副本，只有在海马体的记
忆痕迹渐渐消除之后，大脑前额叶皮
层的相应记忆才逐渐巩固下来，成为
长期储存的记忆。

巩固记忆的另一个关键是前额
叶皮层需要同时从海马体和杏仁核
（大脑的情感中枢）获取信息。

当研
究人员使用光开关基因阻断海马体
或杏仁核的神经元信息输入时，大脑
皮层的记忆就无法得到巩固。

破解记忆的奥秘将会给人类带
来哪些好处呢？虽然我们不能直接
植入光开关基因，但仍然可以通过一
种被称为“脑深部电刺激”的技术将
细小的电极植入大脑中的某个特定
区域，这种技术已经被广泛用于治疗
帕金森氏症等疾病。

可以想象，未来
的某一天，人类有可能将使用类似的
技术来操纵大脑中的记忆。

鉴于这
一领域内科技的迅猛发展，操纵大脑
记忆印痕的时代可能已经离我们不
远了。

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