【Science】MIT研究長期記憶神經迴路，海馬體和新皮層記憶同時產生

新智元編譯

【新智元導讀】MIT 4月6日在 Science 上發表的一篇論文對基於記憶過程的神經迴路進行了研究，首次揭示出記憶在海馬體和新（大腦）皮層中的長期儲存是同時形成的，而在到達成熟狀態之前，這一長期記憶會保持長達兩周的「沉默」。最早的標準模型提出，短期記憶最初只形成並存儲在海馬體中，然後逐漸轉移到新皮層長期儲存並從海馬體中消失。最新的研究結果可能會對這一模式做出修正。

當我們拜訪一個朋友或去海灘時，大腦會在一個叫做海馬體的部分存儲短期的記憶。一段名為海馬腦部的經驗的短暫記憶。這些記憶之後會被「鞏固」——即轉移到大腦的另一部分進行長期存儲。

一項最新的針對基於這一過程的神經迴路的MIT 研究首次揭示出，記憶是在海馬體和大腦皮層中的長期儲存區同時形成的。然而，在到達成熟狀態之前，這一長期記憶會保持長達兩周的「沉默」。

「論文中的這一成果及其他研究結果為記憶的鞏固提供了一個全面的神經迴路機制。」本研究的高級作者 Susumu Tonegawa 表示。Susumu Tonegawa 是 Picower Professor of Biologyand Neuroscience，同時也是 Picower Institute forLearning and Memory 的 RIKEN-MIT Center for NeuralCircuit Genetics 的主任。

研究人員說，4月6日在 Science 發表的研究結果可能會使得關於記憶鞏固如何發生的主要模式發生一些修正。

論文的主要作者是研究科學家 TakashiKitamura ，博士后 Ogawa，研究所 Dheeraj Roy。其他作者有博士后 TeruhiroOkuyama 和Mark Morrissey，技術助理 Lillian Smith 和前博士后 Roger Redondo。

記憶的長期存儲

從20世紀50年代開始，對著名的遺忘症患者 Henry Molaison （當時只稱為患者H.M.）的研究表明，海馬體對於形成新的長期記憶至關重要。Molaison 在控制癲癇發作的手術期間損傷了海馬體，術后無法再存儲新的記憶。然而，他仍然可以回憶起手術前的一些事情。

這表明長期的情景記憶（特定事件的記憶）被存儲在海馬體外。科學家認為這些記憶存儲在新（大腦）皮層中（neocortex），大腦的這一部分也負責認知功能，如注意力和規劃。

神經科學家已經開發了兩個主要模型來描述記憶是如何從短期轉化為長期的。最早的標準模型提出，短期記憶最初只形成並存儲在海馬體中，然後逐漸轉移到新皮層長期儲存並從海馬體中消失。

多重跟蹤模型，一個新近的模型，表明情景記憶的痕迹留在海馬體。這些痕迹可以存儲記憶的細節，而記憶的輪廓則存儲在新皮層中。

圖中顯示的是對前葉皮層中永久記憶至關重要的記憶痕迹細胞（綠色和紅色）

迄今為止還沒有好的方法來測試這些理論。此前大多數關於記憶的研究都是基於分析特定大腦區域的損傷是如何影響記憶的。然而，在2012年，Tonegawa 的實驗室研發了一種標記 engram （記憶痕迹）細胞的方法，這種細胞包含記憶的痕迹。這種方法使研究人員得以追蹤記憶存儲和找回過程中的神經迴路。他們還可以通過使用光遺傳學技術以人工方式重新激活記憶，這種技術可以以光控方式打開或關閉目標細胞。

在新的 Science 研究中，研究人員使用這種方法在恐懼反應實驗中標記小鼠的記憶細胞，在此實驗中，當小鼠進入特定小室中時會被輕微電擊。

然後，他們在不同的時點用光控的方式人工激活這些記憶細胞來觀察這些激活行為是否引發了小鼠的行為反應（停在原地不動）。研究人員還可以判定，當小鼠被放置在恐懼條件發生的小室並自然引發它們之前關於恐懼的記憶時，它們的哪些記憶細胞是活躍的。

研究人員標記了大腦三個區域的記憶細胞：海馬體、前額葉皮層和存儲記憶中情緒聯繫的基底外側杏仁核。

研究人員在恐懼反應實驗發生后一天，發現事件的記憶被存儲在海馬體和前額葉皮層的 engram 細胞中。然而，前額葉皮層中的 engram 細胞是「沉默的」——當被人為地用光激活時，它們可以引發僵住不動的行為，但是在自然回憶期間它們沒有激活。

Kitamura 說：「前額葉皮層已經包含了特定的記憶信息。這與記憶鞏固的標準理論（逐漸轉移記憶）相反。記憶已經在那裡了。」

在接下來的兩周中，如解剖和生理活動變化所反映出的那樣，前額葉皮層中沉默的記憶細胞逐漸成熟，直到這些細胞成為動物自然回憶事件的必需品。在這一時期結束時，海馬體的 engram 細胞變得沉默，在自然回憶中不再需要。然而，記憶的痕迹仍然存在：用光還原這些細胞仍然會促使動物保持不動。

在基底外側杏仁核中，一旦形成記憶，engram 細胞會在整個實驗過程中保持不變。這些細胞，是喚起與特定記憶相關的情緒所必需的，它們會與海馬體和前額葉皮層中的 engram 細胞進行通信。

理論修訂

研究結果表明，傳統的記憶鞏固理論可能不準確，因為在訓練當天，記憶同時在前額葉皮層和海馬體中快速形成。

「它們平行地形成，但是從那裡走上了不同的路。前額葉皮層變強，海馬體變弱。」Morrissey 說。

Neurobiology Laboratory atthe Hospital for Sick Children in Toronto 的首席研究員 Paul Frankland （他並未參與本研究）表示：「論文清楚地表明，從前瞻性的角度來看，engram 是在前額葉皮層形成的，這挑戰了記憶痕迹從海馬體向皮層轉移的認識，並指出這些神經迴路在同時工作。隨著時間的增加，當記憶被回憶起來時，神經迴路的平衡發生了變化。」

需要進一步的研究來確定記憶是否完全從海馬體細胞中消失，或者是否會留下痕迹。現在，研究人員只能監測大約兩周的 engram 細胞，但是他們正在努力使這一時間變得更長。

Kitamura 說他認為一些記憶痕迹可能會無限期地停留在海馬體中，存儲一些僅偶爾會被檢索到的細節。他說：「為了區別兩個類似的情節，這個沉默的記憶痕迹可能會重新激活，人們可以檢索詳細的情景記憶，即使在非常久以前。」

研究人員還計劃進一步研究前額葉皮層中的記憶痕迹的成熟過程是如何發生的。這項研究已經表明，前額葉皮層和海馬體之間的溝通是至關重要的，因為阻斷連接這兩個區域的神經迴路阻止了皮層記憶細胞的正常成熟。

這一研究由 RIKEN Brain Science Institute、Howard Hughes MedicalInstitute 和 JPB Foundation 資助。

原文地址：http://news.mit.edu/2017/neuroscientists-identify-brain-circuit-necessary-memory-formation-0406

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