破解记忆

    【环球科技】

 

    记忆研究正在发生一场革命：新技术能够监测出单个神经元的活动，甚至能够精确地增强或抑制神经元的兴奋性，这使得神经科学家能够开展几年之前还被认为是科幻故事一样的实验。

 

    新研究表明，记忆并不是被随机分配给负责记忆信息加工和储存的神经元。特定的机制决定了哪些神经元负责储存哪一段记忆。

 

    大脑能够精确控制哪些神经元负责编码记忆、哪些记忆需要加固、哪些记忆需要相互关联在一起。这些能力在许多神经疾病以及老龄化认知疾病中有所衰减。

奇妙的记忆

 

    我们的记忆依赖于我们对现实世界细节的回忆能力，比如一个孩子的面孔、一只大雁、一片湖泊。要把这些细节转化为真实的生活经验，大脑必须要把独立的记忆单元融合为一个整体——当那个孩子看到一群大雁突然从湖边的芦苇荡飞起来的时候，孩子的脸上会浮现怎样的表情呢？

 

    记忆的整合感受也取决于其他因素。人类得以在地球上生活上百万年，依靠的不仅仅是回忆正确的信息——例如一头狮子或一条蛇——我们还需要回忆当时的场景。我们是在非洲与世隔绝的热带草原地区与这只动物遭遇，还是在圣迭戈动物园游览时不经意地看了它一眼？

 

    为了避开日常生活中其他类型的“敌人”，我们也需要把不同时间内获得的记忆连贯起来。例如，一个看起来似乎非常具有吸引力的项目是否值得投资，主要取决于它的推荐来源：项目推荐人的可信度。如果不能把项目的吸引力和推荐人的可信度结合起来考虑，将会带来灾难性的后果。

 

    大脑如何把空间和时间上有着巨大差异的不同记忆关联起来，是目前神经科学界费尽心思想要解决的难题。迄今为止，已经有大量的研究在关注我们如何获取、储存、提取记忆，以及如何改变生命个体的记忆。不过绝大多数记忆并不是单独、孤立的存在。实际上，一段回忆能够唤醒下一段，并能构建成错综复杂的一系列记忆，使我们能更好地预测和理解我们身边的世界。

 

    在我们和其他实验室进行了20多年的研究之后，大脑创造关联性记忆的基本原理正逐渐展现在我们面前。弄清楚大脑如何把独立的记忆编织在一起，不仅能帮助我们深入理解大脑是如何工作的，也能在未来的某一天帮助我们预防那些影响记忆整合的记忆疾病。

 

“记忆分配”现象

 

    我和我的研究团队从20世纪90年代后期开始进行记忆关联的研究，当时尚缺乏解决这个问题的工具和基本知识。研究记忆是如何关联在一起的第一步，也是关键性的一步，是我们实验室发现了“记忆分配”现象。这种现象是指，大脑会采用特定的规则，将通过学习获得的信息分配到与记忆形成相关的脑区的多群神经元中。

 

    “记忆分配”现象的发现纯属巧合。这一切起源于1998年我在耶鲁大学访学时，与我的朋友兼同事迈克·戴维斯的闲聊。戴维斯向我分享了他的新发现：通过操作一个名为CREB的基因能够增强大鼠的情绪记忆——这种情绪记忆体现为特定声音和足底电刺激之间的联系。在此之前，我的实验室和其他研究小组均发现记忆的稳定化需要CREB基因的参与。CREB基因之所以能稳定记忆，是因为它编码了一种蛋白质，能够调控记忆过程所需要的其他基因的表达。在学习过程中，新的突触（神经元之间信息交流的节点）形成使得神经元之间的连接程度增强。处于激活状态的CREB蛋白就像是这个过程中的分子“建造师”。如果没有CREB蛋白的帮助，大多数经历很快就会被遗忘。

 

    让我感到惊讶的是，戴维斯的团队只是提高了杏仁核中少量神经元的CREB蛋白水平（杏仁核是一个已知的负责情绪记忆的脑区），就能增强记忆。在耶鲁大学访学结束后的几个月里，几个问题一直在我的脑海里徘徊：在记忆形成过程中，大脑如何选择少数拥有较多CREB蛋白的神经元？难道神经元内CREB的数量不仅仅有助于稳定记忆，还能让这些神经元更有可能参与记忆的形成？

 

    在接下来对CREB的研究中，我们开始追踪CREB在某几个记忆相关脑区中的功能，包括负责情绪相关记忆的杏仁核，以及储存与环境信息相关的“内在认知图谱”的海马体。

 

    对于科学来说，发现问题和解决问题一样重要。和戴维斯的谈话让我意识到，神经科学家几乎完全不清楚这其中的规则：大脑是如何把一段记忆分配到不同脑区负责加工并存储于它们的神经元中的？

 

    曾在戴维斯实验室研究CREB的神经科学家希娜·乔斯林加入我们的研究团队之后，第一个重大突破随之而来。乔斯林在我的实验室，以及多伦多大学她自己的实验室中主持了一系列动物实验，以病毒为载体，将过量的CREB基因拷贝转入小鼠杏仁核的特定神经元。她发现这些过量表达CREB蛋白的神经元参与恐惧记忆储存的可能性比周边神经元高了近4倍。

 

    经过近10年的努力，在2007年我和乔斯林的研究团队共同发表了论文，表明情绪记忆并不是被随机地分配到杏仁核的神经元中，而是被储存到CREB表达量更多的神经元内。同样重要的是，其他研究团队的实验表明，CREB在其他脑区也具有类似的功能，包括海马和大脑皮层。

 

“分配-关联”假说

 

    CREB蛋白决定哪些神经元参与记忆储存的能力——换言之就是记忆的分配——引导我提出了这样一个假设：“记忆分配”可能就是大脑将两段独立的记忆关联在一起的关键机制，我们的研究团队将它命名为记忆的“分配-关联”假说。因为记忆分配发生在一群CREB表达量较高、更容易激活的神经元中，所以这个过程启动了这些神经元，让它们做好准备去储存另一段记忆。当两段记忆共享了一定数量的神经元时，它们就正式地关联在了一起。

 

    因此，当个体回忆起关联在一起的两段记忆中的一段时，这些神经元就会激活，从而触发对另一段记忆的回忆。这个假设的关键在于，我们推测两段发生时间比较接近的记忆（比如在同一天内形成）比那些时间间隔较长的记忆更容易关联在一起。当两段记忆发生的间隔大于一天，后一段记忆的存储就不再得益于前一段记忆所触发的神经元兴奋性的增强，因此将被存储在完全不同的神经元群体中。这种带有时间限制的记忆关联属性是有理可循的，因为在一天内发生的两件事远比间隔一周发生的两件事更有可能关联在一起。“分配-连接”假说本身已经足够清晰明确，但我们应该怎样去验证它的合理性却并不是一件容易的事。我们需要等待合适时机的到来。

 

    在蔡迪卡和贾斯汀·肖布加入这项研究之后，转机出现了。蔡迪卡想出了一个聪明的办法：她与肖布一起，将小鼠先后放置于两个不同的箱子中，中间间隔5小时，期望小鼠能把两个这箱子的记忆关联在一起。值得一提的是，在第二个箱子中，他们对小鼠进行了一次轻度的足底电击（在第一个箱子中时，小鼠没有受到电击）。不出所料，当蔡迪卡把小鼠再次放回第二个受到足底电击的箱子中时，它们表现出了僵立行为，这是因为小鼠回忆起它们曾在那里受到过电击。这种僵立行为是小鼠对恐惧的自然反应，因为多数捕食者更容易发现移动中的猎物，静止不动能够让小鼠更有可能逃过被捕食的命运。

 

    当蔡迪卡和肖布再次将小鼠放进第一个箱子里时，关键性结果出现了。我们推断，如果小鼠在两个箱子里形成的记忆是关联的，那么当它进入未遭受过电击的箱子时，就会回忆起在另一个箱子中所遭受的刺激，进而表现出僵立行为——这正是我们此次实验的发现。

 

    我们进一步猜测，如果这两段记忆的形成存在7天间隔，那么它们就不太可能发生关联。实际情况也正如我们所料，在较长的时间间隔后，将小鼠放进未遭受过电击的箱子，并没有唤起它们对另一个箱子的回忆，僵立行为也没有出现。一般来说，当间隔时间大于一天的时候，两段记忆就不会关联在一起。

 

    这些行为学结果令人感到兴奋，但是依然没有证实“分配-关联”假说的关键部分：在较短时间间隔内形成的、相互独立的记忆片段，储存在同一脑区内有一定重合度的不同神经元群体中。这种生理上的重合使两段记忆关联在一起——对其中一段记忆的回忆会触发另一段记忆的浮现。

 

U.C.L.A微内窥镜

 

    要验证“分配-关联”假说，最好的方法莫过于直接观察记忆在大脑中的形成过程。虽然在活体小鼠身上实时观察神经元活动的技术已经进入了实验室，但这些技术全部都需要将小鼠的头部固定在巨大的显微镜镜头下以满足成像的需求，这对于我们接下来要做的、能够验证上述假说的行为学测试非常不便。

 

    让我感到非常神奇的是，在我的职业生涯中，每当我迫切需要某种新技术的时候，它就会适时出现。当时，我偶然参加了在加利福尼亚大学洛杉矶分校举行的研讨会，斯坦福大学的马克·施耐泽教授在会上介绍了他们刚发明的、可以在自由活动的小鼠上观察神经元活动的微型显微镜。这个重量只有2~3克的显微镜能够像帽子一样戴在动物头上。这正是我们所需要的设备，可以用来跟踪观察被记忆激活的神经元。利用这种设备，我们能够观察一段记忆能否激活几小时前曾储存过一段记忆的神经元，从而判断“分配-连接”假说是否正确。

 

    这项精妙发明所带来的希望极大地鼓舞了我们，我们决定在这项发明的基础上，构建一个自家版本的微型显微镜——“U.C.L.A.微内窥镜”的微型显微镜。与施耐泽的微显微镜相似，我们研发的新型微内窥镜也需要将一个镜头埋置在准备观察的神经元附近。微内窥镜通过基座固定在动物头骨上，以确保在任务训练和记忆测试时保持稳定。为了能够让微内窥镜监测到神经元活动，蔡迪卡和她的同事特里斯汀·舒曼利用了一种成像技术：通过基因工程手段，使神经元在胞内钙离子水平升高时发出荧光，这就是所谓的“基因编码的钙离子指示剂”。我们决定集中观察海马CA1区，因为这个脑区负责空间和位置的学习记忆，比如在我们的行为学实验中，小鼠对两个不同箱子的记忆就与海马CA1区有关。我们将带着微内窥镜帽子的小鼠先后放置在两个箱子中，以便弄清楚它们进入两个箱子的时间间隔是否会对神经元激活造成影响。

 

    结果远远超出了我们的预期。微内窥镜的观测结果和行为学结果最终表明，当小鼠把这两个箱子的记忆关联在一起时，在进入第一个箱子时被激活的CA1区神经元中，有相当数量的细胞在小鼠进入第二个箱子时也被激活了。如果进入两个箱子的时间间隔为5小时，小鼠会利用两群组成非常接近的神经元形成属于这两个箱子的两段记忆。当时间间隔延长到7天，激活的两群神经元就不再有重合了。

 

    这个发现令我们感到非常振奋，因为它确认了记忆“分配-关联”假说的前提条件：当两段记忆被分配到相互重合的神经元群体时，它们就会关联在一起。在这之后，再次激活负责其中一段记忆的神经元群体，都会激活其他神经元，让另一段记忆在大脑中重现。

 

    为进一步验证微内窥镜发现的结果，蔡迪卡转向了神经科学家马克·梅福特建立的另一种方法：由梅福特开发的、名为TetTag系统的技术。当转基因小鼠进入一个箱子形成记忆时，其大脑内被激活的神经元就会被TetTag标记上荧光信号，并且能够维持数周。

 

    在行为学实验结束后，对安乐死的小鼠进行解剖，就能对不久前才激活、并被TetTag系统标记的神经元，以及那些已经被标记了较长时间的神经元进行比较。这种方法不仅可以鉴别出被一段记忆激活的神经元（在这种情况下，神经元只会呈现出一种荧光标记），还可以鉴别出在两段记忆形成过程中都被激活了的神经元：这类神经元会同时发出两种荧光。

 

    蔡迪卡和她的团队使用了与之前相同的实验方案，并且发现，在间隔5小时的情况下，参与两段记忆的神经元的重合比例，也就是同时被两种荧光标记的神经元的比例，显著大于对照组；而在间隔7天的情况下，编码两段记忆的神经元的重合比例与对照组之间没有显著差异。

 

增强老年记忆

 

    接下来，我们决定研究一下年长小鼠的记忆关联情况。与年轻小鼠相比，在年龄较大的小鼠大脑内，海马CA1区等区域的神经元中的CREB蛋白水平要低一些，这导致了这些神经元的兴奋性也较低。根据这一点，我们推测年龄较大的小鼠应该会在记忆关联方面遇到困难。于是，蔡迪卡和同事使用中龄小鼠重复了我们之前做过的许多实验。结果令人惊讶。我直到现在还记得当时蔡迪卡上气不接下气地冲进我办公室的样子。她告诉我，虽然中龄小鼠能记住每一个单独的箱子，但它们很难把这些记忆关联在一起，对于年轻小鼠来说毫不费力就能跨越的5小时间隔，成了中龄小鼠无法逾越的障碍。微内窥镜成像结果表明，与青壮龄小鼠相比，年龄更大的中龄小鼠脑内负责两段记忆的神经元群的重合度偏低。

 

    这一结果让我和蔡迪卡既兴奋又疑虑，因此我们决定从头开始重复这个实验。第二次实验获得的结果更加具有说服力：中龄小鼠的神经元内CREB蛋白水平更低，不能像年轻小鼠那样很容易就能实现记忆关联。这些发现让我们开始扩展研究范围。我们是否可以在中龄小鼠探索两个箱子的时候，人为增强CA1区神经元的兴奋性，以确保在第一个箱子中被激活的神经元在小鼠进入第二个箱子时也能够被激活？

 

    为了实现这个目的，我们使用了一种开创性的技术，通过基因工程手段，让在神经元的细胞膜上插入一种受体，从而控制神经元的功能。这种技术有一个令人难忘的缩写——DREADD，它的含义为“设计受体仅能被专门药物所激活”。在小鼠探索两个箱子的时候，激活DREADD受体就能够激活同一群海马CA1神经元，这样我们就能人为地在小鼠关于两个箱子的回忆之间铸造一条“连结通道”。

 

    我必须要承认的是，这个实验乍一看显得很荒谬，有无数种因素可能成为失败的理由。首先，个体对空间和位置的记忆涉及了数以百万计的神经元，它们分布在多个相互连接的脑区内，不仅仅存在于海马CA1区。衰老造成的记忆关联障碍或许不会与所有脑区有关，但至少影响了其中的大部分。即使我们成功地增强了海马CA1区部分神经元的兴奋性，这些细胞也不一定就是负责记忆储存的神经元。更甚者，我们也不能保证被激活的神经元恰到好处地达到一定程度的兴奋水平。

 

    但实验成功了。这种碰运气式的实验关键在于你要掌握好投入（包括时间和金钱）与可能得到的回报之间的平衡。不过这次，幸运女神毫无疑问地站在了我们这一边。通过增强中龄小鼠CA1区特定神经元群的兴奋性，我们将两段记忆分配到了重合度很高的两群CA1神经元中，从而修复了中龄小鼠缺失的记忆关联。

 

    来自于其他实验室的动物实验和人类研究也揭示了一段记忆是如何与另一段记忆发生联系的。波士顿大学的神经科学家霍华德·艾肯鲍姆证明，大鼠能够发现包含有共同内容的、不同记忆之间的关系。得克萨斯大学奥斯汀分校的神经科学家艾利森·普雷斯顿和同事的研究显示，当记忆之间存在共享部分时，人们就更容易把这些记忆关联在一起。只要回想起其中一段，另一段记忆也呼之欲出。

 

    得益于检测和控制神经元活动的技术的发展，大脑组织信息的神经机制渐渐明晰。我们的研究团队一直在尝试利用新方法来深入研究这个问题。与希腊分子生物学和生物技术研究所的神经科学家帕纳约塔·波伊拉齐一道，我们正在构建计算机模型，用以模拟记忆是在什么时候、以怎样的方式关联在一起的。我们也在探索不同的脑结构在控制时间间隔，从而形成记忆联结的过程中所发挥的作用。我们希望，理解记忆的关联机制能帮助医疗工作者发展针对记忆问题的治疗手段。这是老龄化相关的认知衰退、精神分裂症、抑郁症和双相情感障碍等许多神经、精神类疾病的共同特点。比临床意义更重要的是，我们所描述的这些实验昭示了记忆研究新纪元的到来。这意味着科学进步将不再受制于我们能够支配的技术手段，想象力才是决定我们探索极限的关键。

 

    （撰文：阿尔西诺·J. 席尔瓦（Alcino J. Silva） 翻译：毛榕榕）

    由《环球科学》杂志社供稿