關於記憶的那些事

2017年4月14日 生物谷BIOON/---本期為大家帶來近期關於大腦記憶形成方面的研究，希望讀者能夠喜歡。

對於大部分人來說，每天晚上躺倒床上之後就會進入甜美的夢鄉，但對於一部分人來講，他們在失去意識之後則伴隨而來的是夢遊的開始。

最近來自斯坦福大學的一項研究表示有4%的成年人會有夢遊的經歷。事實上，這一數字仍在上升，這是由於一些促進睡眠的藥物的作用，例如安比恩。

一般情況下夢遊都是無害的，但有些時候可十分可怕。夢遊中的人處於不理智的狀態，有可能會對他人造成傷害。例如2009年一位英國年輕人在睡眠狀態下從卧室窗戶跳下，距離地面8米高；另外在1987年加拿大多倫多一名叫做Kenneth Parks的人在睡夢狀況下開車23公里並殺死了自己的繼母。

說到這，那麼到底為什麼有的人會發生夢遊呢？

研究表明，夢遊並不是最準確的描述，畢竟此刻大腦的原始區域（負責四肢以及複雜的肢體運動）仍在活躍狀態，與清醒時並沒有多大差異。同時，控制記憶以及理性思維的大腦前葉以及海馬區並不行使功能。

夢遊時大腦就像處於睡眠與清醒之間的某種狀態，而且卡在中間無法抽出。"大腦負責理性思維的部分處於睡眠的狀態，並不能夠完全控制肢體與運動系統"，來自義大利的神經學家Lino Nobili說道。

然而，我們的大腦又是為何進入這種混亂的，既不像睡眠又不像清醒的狀態的呢？它對於我們的生活有更好的幫助嗎？說到這我們不禁要從祖先身上尋找答案了。

遠古時期，我們的祖先睡在山洞里，它的安全性顯然低於現在睡在家中的我們。因此夢遊也許是一種遺留下來的保護機制，而這一策略在其它物種中也有體現。

但儘管有證據表明人與其它動物在睡眠時大腦的特定部位都會有明顯的活躍跡象，但人類卻是靈長類動物中僅有的會夢遊的物種。因此，我們的祖先的存活策略可能最終影響了如今人類的出現。

doi:10.1038/nn.4505

最近，科學家們發現了一種新的神經元細胞相互交流以調節學習以及長期記憶的方式。

事實上，這一種久未被發現的新的大腦運作機制能夠對我們理解大腦工作方式起到幫助作用，以及能夠幫我們進一步理解神經推行性疾病，例如阿茲海默症等的發病機制。

人類的大腦中含有數千億個神經元細胞，每一個細胞與其它細胞之間都存在一萬個左右的突觸連接。而這些連接之間的信號強弱都取決於多種多樣的大腦工作機制，而這些機制則是長久以來科學家們試圖去解釋的。

直到如今，我們理解的最為清楚的，能夠增強細胞間信號傳遞的機制之一就是LTP（long-term potentiation）。

LTP能夠增強細胞間的聯繫，從而能夠使信息的傳遞更為高效，而且這一機制也參與了多種神經退行性疾病的發病過程。LTP過多的情況下將有可能產生癲癇，而過少的情況下則有可能產生痴獃或阿茲海默症。

而就目前而言，科學家們了解的僅有LTP能夠調控特異性受體NMDA激活而已。

而如今，英國的研究者們發現了LTP全新的一種工作方式。

通過在實驗室中對突觸的形成進行研究，研究者們發現LTP能夠調節另外一種叫做kainate受體的分子，而非NMDA。

這一發現意味著我們找到了此前從未被發現的能夠調控學習以及記憶的新機制。

"對這些信號之間聯繫的闡釋，我們不僅能夠知道正常大腦的內在運作模式，而且也幫助我們了解新的記憶形成時發生的事情"，研究者之一，來自Central Lancashire大學的Milos Petrovic說道："如果我們能夠維持這些信號，就能夠有效預防大腦疾病的發生"。

雖然這一研究在這一領域仍舊處於初級階段，還需要跟多研究加以證實。但還是為我們研究大腦的神經調控提供了新的思路。

相關結果發表在《Nature neuroscience》雜誌上。

doi: 10.1073/pnas.1619949114

最近一項研究表明，我們大腦中神經元細胞是通過和諧協作，而非單獨活動，從而能夠有效促進短期記憶的維持

這項研究打破了長久以來人們所認為的單獨神經元儲存記憶的觀念。

"這項研究表明，單個神經元本身並不會在大腦活動中儲存信息，但它們能夠通過與別的神經元的相互協作完成這一任務"，來自西部大學的研究者Julio Martinez-Trujillo說道："在這一發現的基礎上，我們能夠更好地理解大腦在提高或抑制工作能力方面的作用，而這一方面的研究能夠幫助我們針對各種存在短期記憶問題的癥狀，例如阿茲海默症、精神分裂症、自閉症、抑鬱、注意力不集中等等，起到有效的治療效果"。

工作記憶是人們學習、保持以及檢索短期零散記憶的能力，例如我們去超市買東西時的對商品位置的記憶以及開車時對路線的記憶等等。

過去，研究者們認為這項能力是有神經元們以獨立個體的方式分別完成的，就像是一間大房子里擠滿了各色各樣的人，他們手上分別有不同的工作。

然而，這項研究表明許多神經元其實是共同干一項工作，從而起到了增強記憶的效果。通過微晶元對多個神經元同時探測，研究者們能夠發現不同神經元細胞之間的連接。

當然，這項研究還有許多衍生的問題需要研究，但仍舊給予我們新的研究大腦工作模式的思路。"這種微晶元技術能夠同時幫助我們提取大腦中的信號，進而有助於設計、編碼人工的腦迴路結構。這對於神經損傷的患者來說無疑是十分積極的消息"。來自渥太華大學腦與認知研究所的神經外科大夫Adam Sachs對此說道。（生物谷Bioon.com）

doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2017.02.003

日常生活中，我們常常會因為找不到鑰匙而煩惱。但人群中確實存在一些具有"超級記憶力"的人，他們能夠同時記住大量的信息，甚至能夠脫口而出圓周率的小數點后好幾千位的數字。

如今，研究者們發現這些"超級記憶者"其實與我們普通人並沒有多大差別，正常人的大腦經過一個月左右的訓練能夠達到相同的水平。

事實上，記憶力平平的人腦與超級記憶者的大腦在結構上並沒有任何差異。這一信息給我們所有希望增強記憶的人提供了積極的信號。

為了探明其中的分子機制，來自荷蘭Radboud大學醫學中心的研究者們招募了世界記憶冠軍組中的23名有力的競爭者，對他們的大腦進行了研究。

奇怪的是，研究者們發現這些具有高水平記憶力的人與同齡的常人的大腦結構並沒有任何差異，不過前者在大腦的連接方面存在一些差異，換句話說，這些記性好的人的大腦的工作方式比較獨特。

由於大腦的連接並不是一成不變的，研究者們因此測試了常人的大腦能否通過訓練達到相似的技藝水平。

通過對51名普通記憶能力的人進行為期40天的每天30分鐘記憶訓練，他們發現這些參與者的記憶力提高了一倍。對於最一開始在含有72個單詞的列表中只能記住26個的人來說，訓練之後能夠記住62個，提升相當明顯。

更有意思的是，他們的大腦的連接特徵隨著訓練變得越來越像那些高水平的記憶選手。4個月後，他們的記憶能力依舊保持著較高的水平。

當然，這一研究的樣本規模較小，因此還不能對這種訓練方式的效果抱有太高的期望，但這是該領域最早的一批研究之一，也為我們探索超級記憶的形成提供了新的思路。

doi:10.1126/sciadv.1602663

在一項新的研究中，來自美國華盛頓州立大學的研究人員發現一種特定的基因如何參與三種不同的動物（包括人類）經歷的睡眠質量。這種基因和它的功能為科學家們探究睡眠如何發揮作用和動物為何迫切地需要睡眠開闢一種新的途徑。相關研究結果發表在2017年4月5日的Science Advances期刊上，論文標題為"Normal sleep requires the astrocyte brain-type fatty acid binding protein FABP7"。

論文通信作者、華盛頓州立大學埃爾森-弗洛伊德醫學院助理教授Jason Gerstner說，"睡眠必需發揮著某種重要的功能。但是作為科學家，我們仍然不能夠理解這種功能是什麼。一種更接近於發現這一點的方法是理解它是如何受到調節的，或者哪些過程在不同動物物種中都存在。"

當作為美國威斯康星大學的一名博士生時，Gerstner就研究了哪些基因的表達在醒睡周期（sleep-wake cycle）發生變化，結果發現在小鼠整個大腦中，FABP7基因的表達在一天中發生變化。

Gerstner和他的同事們觀察到相比於具有完整FABP7基因的正常小鼠，這種基因遭受敲除的小鼠睡覺時更容易醒。這提示著這種基因是哺乳動物正常睡眠所必需的。

為了觀察FABP7是否確實是人類正常睡眠所必需的，Gerstner和來自日本的同事們研究了來自將近300名日本男性的數據，這些男性接受為期7天的睡眠研究，包括分析他們的DNA。結果發現他們中的29人具有基因FABP7變異體。正如那些基因敲除小鼠那樣，這29人往往睡覺時更容易醒。儘管他們具有與其他男性一樣的睡眠量，但是他們的睡眠並不好，這是因為當他們應當睡眠時，他們醒來多次。

最終，這些研究人員構建出轉基因果蠅。他們將發生突變的和正常的人FABP7基因插入到果蠅的星形膠質細胞（神經膠質細胞的一種）中。長期以來，神經膠質細胞（glial cell）被認為僅是給神經元（大腦中的信息處理者）提供支持作用。但是科學家們最近已發現如同神經元那樣，神經膠質細胞釋放神經遞質和控制行為。

為了監控這些果蠅的睡眠，這些研究人員使用一種商業的"果蠅活動監控器（Drosophila Activity Monitor）"：利用紅外光束自動地記錄活動變化以便確定果蠅是睡著還是醒著。如果這種紅外光束持續至少5分鐘，那麼這種監控器就作出結論：果蠅睡著了。結果證實攜帶發生突變的FABP7基因的果蠅在正常的睡眠時間期間更加頻繁地中斷這種紅外光束。正如缺乏發揮正常功能的FABP7基因的小鼠和人類那樣，FABP7發生突變的果蠅睡覺時更容易醒。

Gerstner說，"這提示著在這三種物種的星形膠質細胞中存在著某種調節深度睡眠的內在機制。"

再者，他說，"我們首次真正地對一種特定的細胞和分子通路在這三種物種中的複雜行為中發揮的作用獲得新的見解。"

特別令人關注的是，果蠅已在地球上存在了大約6000萬年。

Gerstner說，"這提示著我們發現了一種在進化過程中持續存在的古老機制。"

儘管這些研究人員對發現一種強烈地影響睡眠的基因感到激動人心，但是他們強調幾乎可以肯定的是，其他的基因也參與這個過程。

FABP7蛋白參與"脂質信號轉導（lipid signaling）"，將脂肪運送到細胞核中以便激活控制生長和代謝的基因。如今，Gerstner和他的同事們將觀察這種功能可能如何與關於睡眠為何重要的當前理論存在交叉。這些理論包括睡眠對神經元活性、能量使用與儲存、記憶與學習是重要的。

doi: 10.1038/ncomms15039

科學家們已經發現，缺乏睡眠會影響大腦學習的能力。如今，來自密歇根大學的研究者們則發現睡眠的缺乏能夠影響大腦記憶的形成。

此前，研究者們已經發現小鼠睡眠的缺乏會影響其對之前完成的任務的記憶。但研究者們並不清楚這一現象背後海馬區（負責長期記憶形成的大腦結構）是否有參與，以及其作用機制。

如今，密歇根大學的研究者們發現，小鼠大腦海馬區的某個特定的神經元結構對於睡眠影響的記憶的形成十分關鍵，相關研究結果發表在《Nature Communication》雜誌上。

為了探究神經元振動對於記憶形成的作用，研究者們記錄了一組小鼠在靜息狀態下海馬區的活性。之後，作者們讓小鼠感受緩和的足底振動（一種外部刺激），之後將其放置回籠子里正常休息。

"如果你反覆地這樣刺激小鼠長達幾個月，那麼這些小鼠將會產生根深蒂固的恐懼心理"，該文章的通訊作者，來自分子細胞生物學系的助理教授Sara Aton說道："然而，如果小鼠在刺激之後得不到良好的睡眠的話，那麼這些小鼠在第二天就不記得這一刺激了"。

研究者們發現，擁有正常睡眠的小鼠，其海馬區與睡眠相關的區域（CA1）的神經振動在學習之後將十分強烈。之後，作者利用藥物阻斷了CA1區域一些抑制性的，分泌parvalbumin的神經元的活性，同時這些小鼠的睡眠並沒有受到任何干擾。結果顯示，parvalbumin的活性的下降會導致CA1區域神經元的振動節律的打破。

研究者們同時比較了實驗組與對照組小鼠神經元連接的穩定性。結果顯示，對照組小鼠在學習之後其神經元的連接強度會明顯高於實驗組。

之後，研究者們希望檢測能否通過恢復海馬區振動（類似於CA1在睡眠狀態下的活躍情況）來促進睡眠缺乏小鼠正常記憶的形成。如果得到證實，這對於大多數因睡眠缺乏而導致記憶力下降的人們來說是天大的好消息。

doi: 10.1126/science.aam6808

半個多世紀以來，神經學家們一直以為長期記憶是由於多個短期記憶儲存起來形成的。而最近一項對記憶形成的神經迴路的研究則表明這一說法有可能是錯的，因為兩種類型的記憶（長期與短期）能夠同時產生。

這項研究是由來自MIT的研究者們做出。他們參考了此前標記特殊"記憶"細胞的手段，並更進一步地強制性使小鼠對特定的記憶作出反應，並且斷開了長期與短期記憶的連接。

如果你看過2000年的那部心裡恐怖電影《記憶碎片》，你應該會對短期記憶缺失的癥狀有一定的了解。雖然這一電影帶有科幻性質，但片中的男主角是基於真實人物改編而來的。

1953年，這名叫做Henry Molaison的27歲的年輕人接受了癲癇的治療。雖然手術比較成功，但這名患者從此失去了記住半個小時前發生的事情的能力。

有意思的是，患者在手術之前已經形成的記憶則完好地儲存下來，他同時能夠學習很多新的概念。Molaison的癥狀僅僅在於不能記住精神圖像以及故事。

從Molaison的不幸中，神經學家們明白了長期記憶的形成與大腦的海馬區存在一定的聯繫，不過記憶真正儲存的區域則是在大腦的其它部位，例如外皮層。

由此，研究者們認為短期記憶是在海馬區中形成與儲存，之後打包轉移到其它區域以供長期儲存。

直到2012年，來自MIT的研究者們找到了一種標記"engrams"神經元的方法，該神經元被認為參與了特殊記憶的形成。這一方法使得他們能夠追蹤調控記憶形成的神經迴路。

更令人興奮的是，研究者們發現通過光線刺激這些細胞，能夠人為地"開啟"或"關閉"該細胞的活性，從而認為調控其記憶的活性。如今，研究者們利用這一技術發現了長期記憶與短期記憶能夠同時形成，僅僅在成熟之後才會維持在靜息狀態。

為了研究小鼠記憶形成的機制，研究者們用這一方法標記了海馬區的記憶類細胞，已經另外一類對恐懼反應有調控作用的區域-杏仁基底外側核。之後，研究者們給小鼠施加一個"恐懼"的刺激，之後，研究者們發現小鼠已經開始形成相關的記憶網路，而且同時發生在海馬區以及前皮質層區域。

兩周之後，研究者們再次給小鼠以相同的刺激。結果顯示，雖然能夠通過光線刺激強制性地引導小鼠海馬區的細胞活化，但小鼠本身已經不依賴海馬區細胞進行記憶的儲存，而負責"長期記憶"的前皮質層區域則能夠被天然地激活。

相關研究發表在《science》雜誌上。（生物谷Bioon.com）