腦科學知識分享：記憶儲存在大腦的什麽地方？

@Samuel Smith

所有的存儲(chu) 設備，從(cong) 你的大腦到電腦的RAM，都是通過改變它們(men) 的物理特性來存儲(chu) 信息的。130多年前，神經學家先驅聖地亞(ya) 哥·卡哈爾(Santiago Ramón y Cajal)首次提出，大腦通過重新排列神經元之間的連接或突觸來存儲(chu) 信息。

從(cong) 那時起，神經科學家就試圖了解與(yu) 記憶形成相關(guan) 的物理變化。但可視化和映射突觸是一項具有挑戰性的工作。首先，突觸非常小，它們(men) 緊密地聚集在一起。

它們(men) 大約比標準臨(lin) 床核磁共振成像所能看到的最小物體(ti) 小100億(yi) 倍。此外，研究人員經常用小鼠的大腦來研究大腦功能，在小鼠的大腦中，大約有10億(yi) 個(ge) 突觸，它們(men) 和周圍的組織一樣，都是不透明到半透明的顏色。

@Getty Images，突觸包括傳(chuan) 遞神經元的末端，接收神經元的起始，以及它們(men) 之間的微小間隙。

最近，研究人員開發的一種新的成像技術，讓他們(men) 能夠繪製記憶形成過程中的突觸。他們(men) 發現，形成新記憶的過程改變了腦細胞相互連接的方式。雖然大腦的一些區域產(chan) 生了更多的連接，但另一些區域則失去了這些連接。

▎繪製小魚的新記憶

此前，研究人員專(zhuan) 注於(yu) 記錄神經元產(chan) 生的電信號。雖然這些研究已經證實，神經元在記憶形成後會(hui) 改變它們(men) 對特定刺激的反應，但它們(men) 無法確定是什麽(me) 驅動了這些變化。

為(wei) 了研究大腦在形成新記憶時是如何發生物理變化的，團隊成員創建了斑馬魚記憶形成前後突觸的3D地圖。之所以選擇斑馬魚作為(wei) 實驗對象，是因為(wei) 它們(men) 足夠大，擁有和人類一樣的大腦，但又足夠小，足夠透明，可以讓研究人員打開思路，觀察到處於(yu) 活躍狀態下的大腦。

@BY-NC-ND，斑馬魚尤其適合作為(wei) 神經科學研究的模型。

為(wei) 了誘導小魚產(chan) 生新的記憶，研究人員使用了一種叫做經典條件反射的學習(xi) 過程。這包括將動物同時放置在兩(liang) 種不同類型的刺激下：一種是不會(hui) 引起反應的中性刺激，另一種是動物試圖避免的，令它們(men) 感到不舒服的刺激。

當這兩(liang) 種刺激配對次數足夠多時，動物就會(hui) 對中性刺激做出反應，就好像它是不舒服的刺激一樣，這表明它已經形成了將這兩(liang) 種刺激結合在一起的聯想記憶。

作為(wei) 一種不舒服的刺激，研究人員用紅外激光輕輕地加熱魚的頭部。當魚甩尾巴時，就認為(wei) 這是它想逃跑的跡象。當小魚處在中性刺激下時，燈打開，尾巴擺動，意味著它在回憶之前遇到不愉快的刺激時發生了什麽(me) 。

@BY-NC-ND，巴甫洛夫的狗是經典條件反射中最著名的例子，狗在聽到鈴聲時會(hui) 分泌唾液，因為(wei) 它已經在鈴聲和食物之間形成了聯想記憶。

為(wei) 了繪製這些圖譜，研究人員對斑馬魚進行了基因改造，讓它們(men) 的神經元產(chan) 生熒光蛋白，這些蛋白結合在突觸上，使它們(men) 可見。

隨後再用一種定製的顯微鏡對突觸進行成像，這種顯微鏡使用的激光劑量比使用熒光產(chan) 生圖像的標準設備要低得多。因為(wei) 研究人員的顯微鏡對神經元造成的損傷(shang) 較小，所以能夠在不失去突觸結構和功能的情況下成像。

在比較記憶形成前後的3D突觸圖譜時，他們(men) 發現一個(ge) 大腦區域，即前外側(ce) 背側(ce) 皮層（pallium），神經元發育出新的突觸，則主要位於(yu) 第二個(ge) 區域，即前內(nei) 側(ce) 背側(ce) 皮層的神經元則失去了突觸。

這意味著新的神經元配對在一起，而其他神經元則破壞了它們(men) 的連接。先前的實驗表明，魚類的背皮層可能類似於(yu) 哺乳動物的杏仁核，那裏儲(chu) 存著不好的記憶。

@BY-NC-ND，這張圖片展示了活魚大腦中的神經元，其中的突觸被塗成綠色。

令人驚訝的是，與(yu) 記憶形成有關(guan) 的神經元之間現有連接強度的變化很小，與(yu) 沒有形成新記憶的對照組魚的變化沒有區別。這意味著，形成聯想記憶包括突觸的形成和丟(diu) 失，但並不一定像之前認為(wei) 的那樣，改變現有突觸的強度。

▎移除突觸能移除記憶嗎？

研究人員觀察腦細胞功能的新方法，不僅(jin) 可以讓我們(men) 更深入地了解記憶實際上是如何工作的，還可以為(wei) 治療創傷(shang) 後應激障礙和成癮等神經精神疾病開辟潛在的途徑。

聯想記憶往往比其他類型的記憶要強烈得多，比如關(guan) 於(yu) 你昨天午餐吃了什麽(me) 的有意識記憶。此外，由經典條件反射誘發的聯想記憶被認為(wei) 類似於(yu) 導致PTSD的創傷(shang) 性記憶。其他無害的刺激類似於(yu) 人們(men) 在創傷(shang) 時所經曆的，可以觸發痛苦的回憶。

目前，創傷(shang) 後應激障礙最常見的治療方法是環境療法，即反複將患者置於(yu) 無害但能觸發刺激的環境中，以抑製對創傷(shang) 事件的回憶。

從(cong) 理論上而言，這間接地重塑了大腦的突觸，使記憶不那麽(me) 痛苦。雖然環境療法取得了一些進展，但患者容易複發。這表明導致創傷(shang) 反應的潛在記憶並沒有被消除。

目前還不清楚突觸的產(chan) 生和丟(diu) 失是否真的推動了記憶的形成。但有實驗室已經開發出一種技術，可以在不損害神經元的情況下快速準確地移除突觸。他們(men) 計劃使用類似的方法去除斑馬魚或小鼠的突觸，以觀察這是否會(hui) 改變聯想記憶。

或許可以用這些方法，從(cong) 物理上消除造成創傷(shang) 後應激障礙和成癮等毀滅性疾病的聯想記憶。然而，在考慮這種治療方法之前，編碼聯想記憶的突觸變化需要得到更精確的定義(yi) 。或許有一天，突觸手術可以消除不好的記憶。

文章資料：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15121-2；

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4930-03.2004；

https://www.verywellmind.com/what-is-associative-memory-5198601；

https://blogs.scientificamerican.com/thoughtful-animal/what-is-classical-conditioning-and-why-does-it-matter/；

https://theconversation.com/where-are-memories-stored-in-the-brain-new-research-suggests-they-may-be-in-the-connections-between-your-brain-cells-174578；