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一个女人走在街上听到砰的一声。几分钟后，她发现走在她前面的男朋友中枪了。 一个月后，这位女士来到急诊室。她说，垃圾车发出的噪音引起了恐慌。她的大脑已经在响亮的声音和她所目睹的毁灭性的景象之间形成了一种深刻而持久的联系。 这个故事由临床精神病学家和一项新研究的合著者Mohsin Ahmed医学博士转述，是大脑记忆和连接时间分离事件的强大能力的一个强有力的例子。 现在，在最新一期发表在《神经元》杂志上的对小鼠的新研究中，哥伦比亚大学祖克曼研究所的科学家们已经阐明了大脑是如何形成这种持久联系的。 科学家们发现了一个令人惊讶的机制，通过这个机制，大脑中对记忆至关重要的区域——海马体，架起了跨越时间的桥梁。通过发出看似随机但实际上构成复杂模式的一系列活动，随着时间的推移，这些活动有助于大脑学习关联。 通过揭示关联学习背后的潜在回路，这些发现为更好地理解焦虑、创伤和压力相关疾病(如恐慌和创伤后应激障碍)奠定了基础。 在这些疾病中，一个看似中性的事件可以引发负面反应。 我们知道海马体在学习的过程中是很重要的，它将两个相隔10到30秒的事件联系起来。这种能力是生存的关键，但其背后的机制已被证明是难以捉摸的。通过今天对小鼠的研究，我们绘制出了大脑进行的复杂计算的图谱，以便将时间上分离的不同事件联系起来。” ——Attila Losonczy，医学博士，哥伦比亚大学祖克曼大脑行为研究所的首席研究员，论文的共同高级作者 海马体是大脑深处一个很小的海马状区域，是学习和记忆的重要中枢。之前在小鼠身上进行的实验表明，海马体的破坏会使小鼠在学习将两个相隔几十秒的事件联系起来时遇到困难。 “目前流行的观点是，海马体中的细胞保持一定程度的持续活动，以关联这些事件，”哥伦比亚大学瓦杰洛斯外科医生学院(Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons)的临床精神病学助理教授 Ahmed说。“因此，关闭这些细胞会扰乱学习。” 为了验证这一传统观点，研究人员让小鼠接受两种不同的刺激:一种是中性的声音，接着是一小股令人不快的空气。15秒的延迟将两个事件分开。科学家们在几次试验中重复了这个实验。随着时间的推移，小鼠学会了将音调与即将到来的一阵风联系起来。利用先进的双光子显微镜和功能性钙成像技术，他们记录了在每次试验过程中，动物海马中数千个神经元(一种脑细胞)连续许多天的活动。 “通过这种方法，我们可以模仿我们自己的大脑在学习连接两个事件时所经历的过程，尽管是以一种更简单的方式，”Losonczy说。他也是哥伦比亚大学瓦杰洛斯外科医生学院(Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons)的神经科学教授。 为了弄清他们收集的信息的意义，研究人员与计算机神经科学家合作，开发了强大的数学工具来分析大量的实验数据。计算神经学家Stefano Fusi博士是哥伦比亚大学祖克曼研究所的首席研究员，也是这篇论文的联合高级作者，他说:“我们希望看到在15秒的间隙中持续的重复的、连续的神经活动，这表明海马体在起作用，将听觉和空气气味联系起来。”“但当我们开始分析数据时，我们没有看到这样的活动。” 相反，记录在15秒间隔期间的神经活动是稀疏的。只有一小部分神经元被激活，而且似乎是随机的。这种零星的活动与大脑在其他学习和记忆任务(比如记住一个电话号码)中显示的连续活动明显不同。 博士研究生James Priestley说:“在整个测试过程中，大脑活动似乎在间歇性和随机的时间段内断断续续、断断续续地出现。” Losonczy说：“为了理解活动，我们必须改变分析数据的方式，使用旨在理解随机过程的工具。” 最终，研究人员在随机性中发现了一种模式:一种心理计算的方式，似乎是一种非常有效的神经元存储信息的方式。神经元并没有持续地相互交流，而是通过在细胞间的连接(称为突触)中编码信息来节省能量，而不是通过细胞的电活动。 “我们很高兴地看到，大脑并没有在这几秒钟内保持持续的活动，因为从新陈代谢角度来说，这不是存储信息的最有效方式，”Fusi说，“大脑似乎有一种更有效的方式来建立这个桥梁，我们怀疑这可能涉及改变突触的强度。” 除了帮助绘制与联想学习有关的回路，这些发现还为更深入地探索与联想记忆功能障碍有关的障碍提供了一个起点，比如恐慌和创伤后应激障碍。 “虽然我们的研究没有明确地模拟这两种疾病的临床症状，但它可以提供大量信息，”Ahmed博士说，他也是哥伦比亚大学祖克曼研究所Losonczy实验室的成员。“例如，它可以帮助我们模拟当病人经历两个事件之间的可怕关联时，大脑可能发生的某些反应，而这两个事件对其他人来说不会引起恐惧或恐慌。” 科学出版社赛医学（sci_med） 科学出版社医药卫生分社订阅号 |
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