Science：雕刻记忆？海马体上位成“将军”，指挥数十万神经细胞

来源：生物探索

自上世纪90年代以来，研究人员通过观察发现，啮齿类动物有一种特殊的神经元活动模式，大概就像是这样的场景：大脑海马体中有成千上万的神经细胞同时放电。但是，当这些神秘放电同步发生时，啮齿类动物脑子里在想什么？难道是想变身皮卡丘？研究人员们带着这个疑问开始了对此现象的深入研究。

最近，魏茨曼研究所的科学家们成功地在人脑中记录了这些快速爆发的神经活动。他们亲切地称其为“海马涟漪”（还挺形象的，就像演唱会或者大赛观众席的声浪），并证明了它们是雕刻新记忆和随后的回忆的基础。相关研究发表在《Science》上。

DOI:10.1126/science.aax1030

炫丽的烟火表演

“就其强度和时机而言，这场涟漪的发生简直令人吃惊。它是由大约15%的海马神经元同步激活的精心策划的爆发——所有的神经元大约在十分之一秒内同时放电。就像是一场安排好的神经细胞的烟火表演。”魏茨曼研究所神经生物学系的Rafi Malach教授说。

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研究人员首次发现这种放电出现在啮齿动物的睡眠和休息的精神状态中，并且在啮齿动物的空间导航记忆中也起重要作用。直到近年来，研究人员在灵长类动物的海马体中发现，大群神经元的这种同步电活动竟然也会在清醒状态下发生。但是，截至目前，科学家们仍然对这种“海马涟漪”在人类认知和心理活动中所扮演的角色一无所知。

实践出真知与伟大的奉献

用MRI监测植入癫痫患者海马的电极（黄点） 图片来源：魏茨曼科学研究所

尽管，人类可以自由交流所思所想，但大多数的研究方法并没有给科学家提供大脑内同时发生事情的详细视图。于是马拉奇实验室的一名博士生Yitzhak Norman与美国范斯坦医学研究所(FeinsteinInstitute for Medical research)的Ashesh Mehta教授的团队合作，领导了目前的研究。在该临床手术中，医生将为患有难治性癫痫的患者多个脑区域插入电极，定位癫痫灶并通过手术切除病灶。这些患者在癫痫发作期间在医院等待期间自愿参加记忆实验。

在实验过程中，研究人员向患者展示了一些色彩丰富、视觉细节丰富的图片，这些图片要么是名人(如巴拉克•奥巴马(Barack Obama)、乌玛•瑟曼(Uma Thurman))，要么是著名的纪念碑(如自由女神像、比萨斜塔)。患者被要求尽可能详细地记住这些图片。观看完图片后，又进行一个短暂的分散注意力任务，之后患者被要求蒙着眼睛，自由地回忆图片，并详细描述它们。在整个实验过程中，患者的谈话被记录下来，同时记录下他们相应的大脑活动，并通过植入海马体和大脑皮层其他区域的电极显示出来。

把大脑活动和病人的口头叙述联系起来，可以发现一些惊人的观察结果。首先，研究发现“海马涟漪”爆发在自由回忆过程中起着至关重要的作用：在患者回忆并开始描述一幅新图片的一两秒钟之前，他们回忆的涟漪率显著增加。重要的是，“海马涟漪”重新表达了图片的内容：在观看阶段引发更多涟漪的图片，在随后的回忆中也会引发更多的涟漪。

海马体将军

该图像描绘了患者颅内电极表现（红色圆圈），其在观看图像时测量皮层电场的变化并且稍后自由地回忆相同的图像。图片来源：Yitzhak Norman

由于大脑活动同时记录在海马体和大脑皮层，研究人员能够证明涟漪与大脑皮层的激活是同步的，特别是在大脑的视觉中心，那里可能存储着详细的视觉信息。此外，原本高级视觉中枢被认为是专门用来表示特定的视觉类别的——例如，面孔在一个皮层区域表示，纪念碑在另一个区域表示。因此，当病人回忆一张脸（比如奥巴马），或者是一座纪念碑（比如埃菲尔铁塔），大脑皮层的活动在相应的视觉中心被选择性地增强。Norman解释说：“在自由回忆的过程中，许多中心的协调活动被揭示出来，海马体扮演着指挥的角色。”

刷新认知

这些发现大大扩展了我们对海马体功能的理解。研究强调同步神经元群活动的重要性。应该记住，海马体爆发涉及数十万神经细胞的同步激活。

Malach总结道：“这对我们理解人类记忆背后的神经元机制是一个重大的进步。雕刻记忆，它们的存储和回忆自然依赖于一系列复杂的过程。然而，这种同步海马爆发的‘神经元戏剧’清楚地指出了它们在记忆形成和回忆中的核心作用。”

参考资料：

[1] Scientists uncover neuronal mechanismcentral to human free recall

[2] Hippocampal sharp-wave ripples linkedto visual episodic recollection in humans