自上世紀90年代以來，研究人員通過觀察發(fā)現(xiàn)，嚙齒類動物有一種特殊的神經元活動模式，大概就像是這樣的場景：大腦海馬體中有成千上萬的神經細胞同時放電。但是，當這些神秘放電同步發(fā)生時，嚙齒類動物腦子里在想什么？難道是想變身皮卡丘？研究人員們帶著這個疑問開始了對此現(xiàn)象的深入研究。
最近，魏茨曼研究所的科學家們成功地在人腦中記錄了這些快速爆發(fā)的神經活動。他們親切地稱其為“海馬漣漪”（還挺形象的，就像演唱會或者大賽觀眾席的聲浪），并證明了它們是雕刻新記憶和隨后的回憶的基礎。相關研究發(fā)表在《Science》上。
炫麗的煙火表演
“就其強度和時機而言，這場漣漪的發(fā)生簡直令人吃驚。它是由大約15%的海馬神經元同步激活的精心策劃的爆發(fā)——所有的神經元大約在十分之一秒內同時放電。就像是一場安排好的神經細胞的煙火表演。”魏茨曼研究所神經生物學系的Rafi Malach教授說。
研究人員首次發(fā)現(xiàn)這種放電出現(xiàn)在嚙齒動物的睡眠和休息的**狀態(tài)中，并且在嚙齒動物的空間導航記憶中也起重要作用。直到近年來，研究人員在靈長類動物的海馬體中發(fā)現(xiàn)，大群神經元的這種同步電活動竟然也會在清醒狀態(tài)下發(fā)生。但是，截至目前，科學家們仍然對這種“海馬漣漪”在人類認知和心理活動中所扮演的角色一無所知。
實踐出真知與偉大的奉獻
用MRI監(jiān)測植入癲癇患者海馬的電極（黃點） 圖片來源：魏茨曼科學研究所
盡管，人類可以自由交流所思所想，但大多數(shù)的研究方法并沒有給科學家提供大腦內同時發(fā)生事情的詳細視圖。于是馬拉奇實驗室的一名博士生Yitzhak Norman與美國范斯坦醫(yī)學研究所(FeinsteinInstitute for Medical research)的Ashesh Mehta教授的團隊合作，領導了目前的研究。在該臨床手術中，醫(yī)生將為患有難治性癲癇的患者多個腦區(qū)域插入電極，定位癲癇灶并通過手術切除病灶。這些患者在癲癇發(fā)作期間在醫(yī)院等待期間自愿參加記憶實驗。
在實驗過程中，研究人員向患者展示了一些色彩豐富、視覺細節(jié)豐富的圖片，這些圖片要么是名人(如巴拉克•奧巴馬(Barack Obama)、烏瑪•瑟曼(Uma Thurman))，要么是著名的紀念碑(如自由女神像、比薩斜塔)?；颊弑灰蟊M可能詳細地記住這些圖片。觀看完圖片后，又進行一個短暫的分散注意力任務，之后患者被要求蒙著眼睛，自由地回憶圖片，并詳細描述它們。在整個實驗過程中，患者的談話被記錄下來，同時記錄下他們相應的大腦活動，并通過植入海馬體和大腦皮層其他區(qū)域的電極顯示出來。
把大腦活動和病人的口頭敘述聯(lián)系起來，可以發(fā)現(xiàn)一些驚人的觀察結果。首先，研究發(fā)現(xiàn)“海馬漣漪”爆發(fā)在自由回憶過程中起著至關重要的作用：在患者回憶并開始描述一幅新圖片的一兩秒鐘之前，他們回憶的漣漪率顯著增加。重要的是，“海馬漣漪”重新表達了圖片的內容：在觀看階段引發(fā)更多漣漪的圖片，在隨后的回憶中也會引發(fā)更多的漣漪。
海馬體將軍
該圖像描繪了患者顱內電極表現(xiàn)（紅色圓圈），其在觀看圖像時測量皮層電場的變化并且稍后自由地回憶相同的圖像。圖片來源：Yitzhak Norman
由于大腦活動同時記錄在海馬體和大腦皮層，研究人員能夠證明漣漪與大腦皮層的激活是同步的，特別是在大腦的視覺中心，那里可能存儲著詳細的視覺信息。此外，原本高級視覺中樞被認為是專門用來表示特定的視覺類別的——例如，面孔在一個皮層區(qū)域表示，紀念碑在另一個區(qū)域表示。因此，當病人回憶一張臉（比如奧巴馬），或者是一座紀念碑（比如埃菲爾鐵塔），大腦皮層的活動在相應的視覺中心被選擇性地增強。Norman解釋說：“在自由回憶的過程中，許多中心的協(xié)調活動被揭示出來，海馬體扮演著指揮的角色。”
刷新認知
這些發(fā)現(xiàn)大大擴展了我們對海馬體功能的理解。研究強調同步神經元群活動的重要性。應該記住，海馬體爆發(fā)涉及數(shù)十萬神經細胞的同步激活。
Malach總結道：“這對我們理解人類記憶背后的神經元機制是一個重大的進步。雕刻記憶，它們的存儲和回憶自然依賴于一系列復雜的過程。然而，這種同步海馬爆發(fā)的‘神經元戲劇’清楚地指出了它們在記憶形成和回憶中的核心作用。”
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