发现决定哪些记忆持久的机制

近几十年来，神经科学家已经建立了这样一种观点，即大脑会在当晚的睡眠中将每天的一些经历转化为永久记忆。现在，一项新研究提出了一种机制，可以确定哪些记忆被标记为足够重要，以至于会在大脑中停留，直到睡眠使它们永久存在。

这项新研究由纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员牵头，主要研究一种名为神经元的脑细胞，这种细胞会“放电”——或者说，会改变正负电荷之间的平衡——以传输编码记忆的电信号。大脑中名为海马体的大量神经元会以有节奏的周期一起放电，在几毫秒内产生一系列信号，这些信号可以编码复杂的信息。

这些被称为“尖锐波纹”的向大脑其他部分发出的“呼喊”代表了 15% 的海马神经元近乎同时发射，因其活动被电极捕捉并记录在图表上时呈现的形状而得名。

尽管过去的研究将涟漪与睡眠中的记忆形成联系起来，但3 月 28 日在线发表在《科学》杂志上的这项新研究发现，白天发生的事件，紧接着 5 到 20 个尖锐的涟漪，在睡眠中会更多地重现，从而巩固为永久记忆。而紧接着很少或没有尖锐的涟漪的事件则无法形成持久的记忆。

“我们的研究发现，尖锐的波纹是大脑用来‘决定’保留什么和丢弃什么的生理机制，”资深研究作者、医学博士、哲学博士、纽约大学朗格尼医学中心神经科学和生理学系比格斯神经科学教授György Buzsáki说道。

走走停停

这项新研究基于一种已知模式：包括人类在内的哺乳动物会短暂地体验世界，然后暂停，然后再体验一会儿，然后再次暂停。研究人员表示，当我们关注某件事时，大脑计算通常会切换到“空闲”重新评估模式。这种短暂的暂停在一天中随处可见，但最长的空闲时间发生在睡眠期间。

Buzsaki 及其同事此前已证实，当我们积极探索感官信息或移动时，不会出现尖锐的波纹，而只会在前后的空闲停顿期间出现。本研究发现，尖锐的波纹代表清醒体验后此类停顿期间的自然标记机制，标记的神经元模式在任务后睡眠期间重新激活。

重要的是，尖锐的波纹已知是由海马“位置细胞”以特定顺序发射而形成的，这些细胞编码了我们进入的每个房间以及老鼠进入迷宫的每个分支。对于被记住的记忆，这些相同的细胞在我们睡觉时以高速发射，“每晚播放记录的事件数千次”。这个过程加强了相关细胞之间的联系。

在目前的研究中，研究小鼠连续走迷宫的过程通过电极被不断变化着的海马细胞群所追踪，尽管它们记录的经历非常相似。这首次揭示了迷宫走迷宫过程中，在清醒暂停期间会出现涟漪，然后在睡眠期间重现。

尖锐的波纹通常是在老鼠每次走完迷宫后停下来享受甜食时记录下来的。作者说，吃下奖励会让大脑从探索模式切换到空闲模式，这样尖锐的波纹就会出现。

研究团队利用双面硅探针，在动物走迷宫时能够同时记录海马体中多达 500 个神经元。这反过来又带来了挑战，因为独立记录的神经元越多，数据就越复杂。为了直观地理解数据、可视化神经元活动并形成假设，该团队成功地减少了数据的维度，就像将三维图像转换为平面图像一样，同时又不丢失数据的完整性。

“我们努力将外部世界从方程式中剔除，并研究哺乳动物大脑天生和潜意识地标记某些记忆以使其成为永久记忆的机制，”第一作者 Wannan ( Winnie) Yang博士(Buzsáki 实验室的研究生)说道。“为什么会进化出这样的系统仍然是个谜，但未来的研究可能会发现可以调整尖锐波纹以改善记忆甚至减少对创伤事件回忆的设备或疗法。”

除了 Buzsáki 博士和 Yang 博士之外，纽约大学朗格尼医学中心神经科学研究所的 Roman Huszár 和 Thomas Hainmueller 也是这项研究的作者。纽约大学神经科学中心的Kirill Kiselev也是作者之一，蒙特利尔魁北克人工智能研究所 Mila 的Chen Sun也是作者之一。这项研究得到了美国国立卫生研究院 R01MH122391 和 U19NS107616 拨款的支持。