海马波簇闪烁，照亮记忆幽林

存在于海马体电活动中的尖波涟漪，能带来记忆研究的曙光吗？

JORDANA CEPELEWICZ

封面：Scott Balmer

NEUROSCIENCE  神经科学

“在生物学里，要弄坏一样东西很简单，”加州大学旧金山分校的神经科学家洛伦·弗兰克（Loren Frank）指出，“而让一样东西运作得更好却非常难。”

尽管如此，纽约大学医学院的研究人员在2019年初夏报告称，他们通过调整实验动物脑内一个动态信号的长度，成功改善了它们的记忆力[1]；而神经科学家们（例如弗兰克）在几十年前就开始对这个脑信号着迷了。这个成果本身就足以令人激动，因其带来了增强人类记忆力的可能性。但它更加揭示了对记忆的一种更全面的理解，并且发现了扎根于神经事件时长之中的一个重要线索；而这种理解，或许能带我们更好地弄清记忆的原理。

发现记忆的涟漪

自20世纪80年代以来，科学家们一直在关注大脑中一块叫“海马体”的区域中，神经元短暂的同步簇状放电活动（short bursts of synchronised neural activity）。这个活动包含了复杂且级联的放电型（electrical patterns）；布兰迪斯大学的一名神经科学家，山塔努·雅德哈弗（Shantanu Jadhav）说，这些放电型“听起来就像是爆炸一样”。当大量神经元突然高速地重复它们以前的放电型，就好像在回放过去经历的碎片时，这些“尖波涟漪”就会出现；因此，它们自被发现以来，就被与记忆紧密地联系了起来。这种现象会在动物睡眠时发生，也许是为了帮它们巩固新获取的知识，以便长期存储。

逐渐，人们开始认识到，尖波涟漪不只是被动的记忆巩固过程中的一个标志；它们也出现在更主动的记忆过程（如记忆取回，和用记忆去指导新的推断）中。这些占据大量睡眠时间的“海马体烟花晚会”也常在清醒着，但闲散且注意力不集中的、作出决定前的，或正在探索新环境的动物脑中上演。“涟漪包含的信息内容既可能是过往经历的真实回放，”德克萨斯大学的神经科学家布莱德·菲弗（Brad Pfeiffer）指出，“也可能是对未来也许会发生之事的预想。”

在海马体电活动中观察到的“尖波涟漪”有长短两种形式

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图片来源：DOI: 10.1126/science.aax0758

也就是说，“你觉得记忆，或者基于过去而对未来可能性的预想，在脑子里长什么样”，尖波涟漪“就长什么样”，弗兰克说。无论怎么说，这些涟漪“构造完备，很可能在大脑内的学习驱动机制中扮演了重要角色；而这种驱动机制，则是大脑学习新知识的一个关键”——尖波涟漪是各种记忆的“认知生物标志物”[2]。

— Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

弗兰克、雅德哈弗等人在2012年巩固了这个认识：他们让小鼠学习在一个三叉戟形状的三通迷宫里寻路，并用电脉冲扰乱它们的尖波涟漪。当小鼠在迷宫的左右两臂时，它们需要回到中间来获得奖励；当它们在中间时，如果上一次选择了走左，这一次则需要走到右臂来获得奖励，反之同理。在任务的第一部分中，小鼠只需要走回起点，而扰乱涟漪对小鼠的表现没有任何影响。然而，当它们需要轮流选择左臂和右臂时（也就是说，它们需要记住自己上一次的选择），扰乱涟漪则使它们的表现明显变差了[3]。

长涟漪，短涟漪

当前，由神经科学家吉尔吉·布扎萨基（György Buzsáki）带领的研究团队，终于带来了表明尖波涟漪在记忆机制中有一席之地的证据。他们采用了弗兰克团队用过的那个记忆测试，并发现，在大鼠中，人工延长这些涟漪的持续时间，能改善它们在测试中的表现。这项研究在六月发表于《科学》期刊上。

吉尔吉•布扎萨基（György Buzsáki）

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图片来源：buzsakilab.com

“我认为，他们能找到一种通过增强现存活动规律，来加速学习的方法——这本身就十分创新和有效，”弗兰克表示，“而且，这加强了这种规律和学习与记忆的关联性。”

但与此同时，这项成果也强调了涟漪时长的重要性——在此前，研究人员们几乎从未探究过这点。科学家们在之前发现，在海马体内自然发生的涟漪中，虽然有一小部分会持续超过0.1秒，但大部分都只会持续大约0.1秒。然而，科学家们未曾研究过涟漪时长是否会有影响，以及这个因素会对什么造成影响。“人们早就知道尖波涟漪的持续时间长短不一，但我认为，他们一直都默认这些长短是随机的，”A·大卫·瑞迪施（A. David Redish），一名明尼苏达大学的神经科学家表示。瑞迪施未参与此项研究。

实际上，这种不均匀分布在大脑的许多层面上都有出现，例如神经元的发放频率、突触之间的连接强度，和轴突的传导速度[4]。布扎萨基指出，专家们普遍认为“（这种分布）能维持在动态系统中存在的对抗性需求之间的平衡，”而这种平衡也许能保护系统的稳定性或坚固性。但是，他和他的团队决定继续深究这个现象对尖波涟漪的具体意义。

— Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

当大鼠进入一个新的环境（例如，当它们开始探索三通迷宫）时，研究者们发现，长涟漪的数量一般会比平时更多。随着这些动物更多地接触这个环境，涟漪持续的时间则会逐渐变短。其它实验中的对比也得出了相同的结论：更长的涟漪可能与更需要记忆力和认知能力的任务有关。“就好像有某个内部进程在说：‘我需要更长的尖波涟漪’一样，”瑞迪施说。

布扎萨基等人用光来刺激大脑，使得涟漪的持续时间变长；他们发现，其它相关的神经元也加入了这个活动规律。海马体似乎是在回放序列中的更多部分——在这个实验中，海马体仿佛在回放关于大鼠之前在迷宫中走过的路的更多信息，“显示出（它走过的）整个路径”布扎萨基指出。

“延长涟漪实际上会延长被重新激活的路径信息，”雅德哈弗说。“这很可能就是想象所有可行路径的一个机制”，然后大鼠就可以从中选出一条现实路径。

总而言之，这项研究表明“尖波涟漪的长短有着实际意义，”瑞迪施认为，“长短与涟漪所处理的信息有关，而处理更多信息的尖波涟漪则对记忆更加必要。”

黑暗中的一簇亮光

目前，研究者们可以回顾他们以前的研究，以探明涟漪的长度是否会为记忆机制的研究提供一个新视角。瑞迪施就是一个例子：在此之前，他发现尖波涟漪标记了大鼠建立新的思维联系的神经状态；通过回顾这个发现，他指出，那些涟漪也比一般的要长。“所以这些更长的尖波涟漪或许也协助建立了更好的联系功能。”

但与此同时，这样的可能性也带来了其它各种问题——短涟漪的功能是什么？涟漪时长在久远记忆或未来计划中扮演什么角色？长涟漪和短涟漪是否与海马体以外的脑区有着不同的相互作用方式？——布扎萨基目前正准备探究最后这个问题。

— Evgenia Chuvardina

对尖波涟漪，和弗兰克与布扎萨基用来研究尖波涟漪的试验的关注，本身也非常有趣，因为它包含了很多思考记忆的不同方式。“我们分得很清：记忆是过去，计划和想象则是未来，”一个脑区负责主动的短期记忆，另一个则负责“线下”的长期记忆，布扎萨基指出，“但大脑也许并不这样运作。这些机制之间的界限并不是那么容易划分的。”

他补充道，因此，或许“在更普适的层面上”来研究记忆，或许是有其道理所在的。

当讨论到如何定义记忆和研究记忆最好的方法时，弗兰克说：“我认为，我们作为一个领域，还不明白我们究竟在做什么，我们仍然在暗中摸索。”但在这些簇状的涟漪活动中，我们或许会找到一点光亮。

参考文献

[1] https://science.sciencemag.org/content/364/6445/1082

[2] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/hipo.22488

[3] https://science.sciencemag.org/content/336/6087/1454.long

[4] https://www.nature.com/articles/nrn3687

翻译：阿莫東森

审校：周一晴

编辑：小葵花

https://www.quantamagazine.org/in-brains-electrical-ripples-markers-for-memories-appear-20190806/

Jordana Cepelewicz

Quanta 杂志生物专栏作者。她在数学、神经科学等方面的文章也在Nautilus和Scientific American上发表。她在2015年获得耶鲁大学授予的生物学和比较文学学士学位。

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