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Nat Neurosci:如何应对健忘的单个神经元?科学家解码短时记忆的神经机制

brainnews创作团队 brainnews 2022-09-21

人类拥有一种与生俱来的能力,他们能够将重要信息短时间地储存在头脑中,我们常把这种能力称为短时记忆。过去几十年间,有许多神经科学家都对大脑神经回路储存短时记忆的方式这一问题进行了探索,而如果能够回答这一问题,那么我们就有可能获得为那些记忆衰退个体提供帮助的方法,同时也可以据此设计出能够增强个体记忆的干预措施。



斯坦福大学以及霍华德休斯医学研究所珍利亚农场研究园区(Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus)的研究人员最近发现了与人类储存短时记忆有关的神经回路基序。他们发表在《自然神经科学》上的研究结果表明,与记忆相关的神经回路中包含有能够反复连接的模块,这些模块能够独立地维持那些选择性和连续性的活动

图1全光学法。将激光束精确地定位到我们感兴趣的神经元上(红线),使这些神经元被激活(黄色阴影)。研究人员可以通过观察神经元周围电通路的变化,推断出有效连接是否存在。图片来源:Daie、Svoboda & Druckmann


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进行这项研究的研究人员之一Kayvon Daie说:“比方说,你在找笔写下电话号码的时候需要记住这串电话号码,那么这串数字保留在你短时记忆中的时间为10秒左右。但实际上,单个的神经元是非常‘健忘的’,因为它们只能将输入其中的信息维持10毫秒。有研究者假设,如果两个‘健忘’的神经元相互连接,那么它们可以不断地提醒对方所应记住的内容,这样通过神经元连接形成的通路现在就可以将信息保存好几秒钟。”


Daie和他的同事Karel Svoboda以及Shaul Druckmann进行这项研究的主要目的是希望了解神经元编码短时记忆的方式。例如,他们希望通过实验确定两个相互连接的神经元是否能够交换人们试图记忆的信息,从而使神经回路能够将这些信息存储几秒钟的时间。研究人员通过测量不同神经元之间的相互作用来对这一观点进行检验。


虽然“储存记忆的神经元是相互联系的”这一观点存在已久,但是目前来讲通过实验对这一观点进行验证还是相当具有挑战性的。要完成这项任务,研究人员有两大难题需要攻克,首先需要识别储存记忆的神经元,其次还要测量它们之间的连通性。为了解决这两大难题,Daie和他的同事们采用了近期发展起来的方法,科学家们使用光能够高精度地记录和操纵神经元的活动。


Daie说:“利用最近发展起来的一系列技术,我们可以激活特定的神经元,随后观察这些神经元是如何影响回路的其他部分的。如果我们刺激了一个记忆神经元,那么我们预期将会看到其邻近记忆神经元活动的增强。”

图2:光刺激实验示例。(左图)完成记忆任务期间的神经网络活动图。使用颜色对神经元进行编码从而反映它们在完成记忆任务期间的活动。研究人员在描述了神经网络活动的特征之后,选择了一组对记忆类型1有选择性的神经元(黑圈)。(右图)光刺激后神经元活动的变化。靶神经元的活动表现出大幅度的增加(黄色图像),但是我们也观察到了靶神经元周围神经网络的许多变化,这反映了受刺激和没有受刺激神经元群之间的相互作用。图片来源:Daie,Svoboda & Druckmann


Daie和他的同事所收集到的实验观察结果与他们的预期一致。他们的发现除了证实了记忆神经元之间是相互联系的之外,还表明这些是以成簇的形式组织起来的


Druckmann说:“我们发现神经元之间倾向于成簇连接。这意味着记忆神经回路是由许多独立的集群或模块组成的,每个集群或模块都能够独立地存储短时记忆。我们假设这样的回路架构有助于提高个体记忆存储的可靠性。”


尽管实验中,Daie和他的同事们只激活了一个由100,000个神经元组成的回路中的8个神经元组,但是他们发现激活这些神经元组仍然会导致动物行为的改变。


Daie说:“实际上,我们能够通过激活老鼠的一小部分神经元来改变老鼠的短时记忆。此外,我们还发现受刺激神经元的活动与动物的行为之间存在着一些与我们的直觉不一致的关系。”


该研究团队最近完成的这项研究为神经回路基序在短时记忆加工过程中的作用提供了一种新的有价值的观点。Daie和他的同事们希望通过未来的研究,找到能够预测特定的神经元被激活时,哪些记忆会被改变的方法。此外,他们还计划探索能够修改更为复杂、更为精细的记忆的方法。


Daie说:“通过实验我们发现了一个令人惊讶的结果,似乎与某一记忆有关的神经元被激活时,会导致动物产生相反的行为。虽然我们能够通过观察我们对整个神经网络做出的改变来预测这种情况可能在何时发生,但事实证明,真实的大脑比我们最初所认为的(即驱动与某一记忆相关的神经元总能使行为靠近该记忆)要更加复杂。”


原文链接:

https://medicalxpress.com/news/2021-03-neuroscientists-brain-circuit-motifs-short-term.html

参考文献: Targeted photostimulation uncovers circuit motifs supporting short-term memory. Nature Neuroscience(2021). DOI: 10.1038/s41593-020-00776-3.



编译作者:UTCS(brainnews创作团队)

校审:Simon(brainnews编辑部)



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