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大脑记忆的编码单元

人类记忆到底在哪里?它在大脑的哪个层面存在?它是如何获得、巩固并被回忆的?昨天,41岁的林龙年博士站在华东师大上海脑功能基因组学研究所里宣布,他和美国波士顿大学的钱卓教授在世界上首次发现了大脑记忆的编码单元,这被认为是为解读人类大脑密码提供了可能性。


记忆在哪产生?


“我们在大脑神经元网络层面发现了记忆活动。”在进行了2年半的实验研究后林龙年说,这个神经元网络层面的首个记忆研究成果,可能会对将来人类发现大脑秘密提供一把钥匙。


大脑中的神经元网络活动直接决定人类行为。目前世界上对人脑的研究在底层的基因分子层面和突触(神经元连接点)、神经元网络以及行为层面同步展开。


林龙年博士与钱卓博士一起,运用最新的高密度多通道在体记录技术,以小鼠为对象进行了一系列的研究。小鼠来自中科院实验动物所,25元一只。同时,他们还从美国采购了部分转基因小鼠用于将来的比对研究。


研究小组研制了世界上最轻巧的精细微电极推进器,把96根比头发还细得多的微电极插入小鼠的海马区域,成功地记录到了多达260个神经元的活动情况。在与记忆密切相关的大脑结构中,海马(因其形似海马而得名)发挥着举足轻重的作用,它负责将人们新的经历转化为长期的记忆。小鼠海马脑区只有半粒米大小,科学家们将实验的探测区域放在海马脑区的CA1细胞层,也就是信息的“输出层”,这里大约有紧密排列的20万至30万个神经元。


“这一步非常重要。”林龙年博士介绍说,假如只能观察到几个神经元,就谈不上对神经元群体的编码进行分析了。而传统的方法在小鼠上只能记录到几个至20几个神经元。人类大脑是一个由约140亿个神经元组成的繁复的神经网络。迄今为止,对大脑功能的解读,就像在基因密码破译之前人们只能通过基因的表型间接了解遗传信息一样,脑科学家们目前只能通过对行为的测试来间接检测记忆的形成。技术上的突破使科学家能够通过检测大脑编码单元的活动状态直接解读大脑在学习过程中记忆的形成。


记忆怎样产生?


一个事件带来的惊恐、慌乱的记忆是怎么产生的?技术条件成熟后,科学家们开始进行情景实验收集大脑神经元的反应。“有些经历能够产生令人难忘的记忆,我们猜想大脑中会有许多神经元参与这些记忆的编码。”钱卓博士说。


研究人员设计了几种新颖的行为模式来研究小鼠的神经编码,一种是在特定环境中给小鼠背部突然吹上一阵冷风。林龙年说就像武侠小说中描写的在月黑风高之夜,一阵突如其来的嗖嗖阴风会使人顿感毛骨悚然一样,小鼠对这样的刺激会感到惊恐。它的神经元活动发生变化,有的变密集,有的变稀疏。把小鼠放在特制的小电梯中做自由落体下降,如同人们乘坐的电梯突然失控坠落的过程中所获得的记忆会刻骨铭心一样,小鼠对这种极其刺激的经验也会印象深刻。


实验观察发现,在海马的神经元网络中有许多神经元对这种惊吓刺激有着各种各样的放电反应,根据它们的反应特征,研究人员发现这些神经元组成了记忆编码的神经网络单元(codingunits)。更有意义的是,这些编码单元通过它们的激活状态可以把任何一种惊吓经历转化成一串二进制数字,这种数字化的编码形式使得科学家们能够对不同个体乃至不同种群动物的大脑编码活动进行直接的比较和分析。大脑很有可能利用同样的原理来完成其他一系列的高级认知功能


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