記憶研究正在發生一場革命

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記憶研究正在發生一場革命：新技術能夠監測出單個神經元的活動，甚至能夠精確地增強或抑制神經元的興奮性，這使得神經科學家能夠開展幾年之前還被認為是科幻故事一樣的實驗。

新研究表明，記憶並不是被隨機分配給負責記憶信息加工和儲存的神經元。特定的機制決定了哪些神經元負責儲存哪一段記憶。

大腦能夠精確控制哪些神經元負責編碼記憶、哪些記憶需要加固、哪些記憶需要相互關聯在一起。這些能力在許多神經疾病以及老齡化認知疾病中有所衰減。

奇妙的記憶

我們的記憶依賴於我們對現實世界細節的回憶能力，比如一個孩子的面孔、一隻大雁、一片湖泊。要把這些細節轉化為真實的生活經驗，大腦必須要把獨立的記憶單元融合為一個整體——當那個孩子看到一群大雁突然從湖邊的蘆葦盪飛起來的時候，孩子的臉上會浮現怎樣的表情呢？

記憶的整合感受也取決於其他因素。人類得以在地球上生活上百萬年，依靠的不僅僅是回憶正確的信息——例如一頭獅子或一條蛇——我們還需要回憶當時的場景。我們是在非洲與世隔絕的熱帶草原地區與這隻動物遭遇，還是在聖迭戈動物園遊覽時不經意地看了它一眼？

為了避開日常生活中其他類型的「敵人」，我們也需要把不同時間內獲得的記憶連貫起來。例如，一個看起來似乎非常具有吸引力的項目是否值得投資，主要取決於它的推薦來源：項目推薦人的可信度。如果不能把項目的吸引力和推薦人的可信度結合起來考慮，將會帶來災難性的後果。

大腦如何把空間和時間上有著巨大差異的不同記憶關聯起來，是目前神經科學界費盡心思想要解決的難題。迄今為止，已經有大量的研究在關注我們如何獲取、儲存、提取記憶，以及如何改變生命個體的記憶。不過絕大多數記憶並不是單獨、孤立的存在。實際上，一段回憶能夠喚醒下一段，並能構建成錯綜複雜的一系列記憶，使我們能更好地預測和理解我們身邊的世界。

在我們和其他實驗室進行了20多年的研究之後，大腦創造關聯性記憶的基本原理正逐漸展現在我們面前。弄清楚大腦如何把獨立的記憶編織在一起，不僅能幫助我們深入理解大腦是如何工作的，也能在未來的某一天幫助我們預防那些影響記憶整合的記憶疾病。

「記憶分配」現象

我和我的研究團隊從20世紀90年代後期開始進行記憶關聯的研究，當時尚缺乏解決這個問題的工具和基本知識。研究記憶是如何關聯在一起的第一步，也是關鍵性的一步，是我們實驗室發現了「記憶分配」現象。這種現象是指，大腦會採用特定的規則，將通過學習獲得的信息分配到與記憶形成相關的腦區的多群神經元中。

「記憶分配」現象的發現純屬巧合。這一切起源於1998年我在耶魯大學訪學時，與我的朋友兼同事邁克·戴維斯的閑聊。戴維斯向我分享了他的新發現：通過操作一個名為CREB的基因能夠增強大鼠的情緒記憶——這種情緒記憶體現為特定聲音和足底電刺激之間的聯繫。在此之前，我的實驗室和其他研究小組均發現記憶的穩定化需要CREB基因的參與。CREB基因之所以能穩定記憶，是因為它編碼了一種蛋白質，能夠調控記憶過程所需要的其他基因的表達。在學習過程中，新的突觸（神經元之間信息交流的節點）形成使得神經元之間的連接程度增強。處於激活狀態的CREB蛋白就像是這個過程中的分子「建造師」。如果沒有CREB蛋白的幫助，大多數經歷很快就會被遺忘。

讓我感到驚訝的是，戴維斯的團隊只是提高了杏仁核中少量神經元的CREB蛋白水平（杏仁核是一個已知的負責情緒記憶的腦區），就能增強記憶。在耶魯大學訪學結束後的幾個月里，幾個問題一直在我的腦海里徘徊：在記憶形成過程中，大腦如何選擇少數擁有較多CREB蛋白的神經元？難道神經元內CREB的數量不僅僅有助於穩定記憶，還能讓這些神經元更有可能參與記憶的形成？

在接下來對CREB的研究中，我們開始追蹤CREB在某幾個記憶相關腦區中的功能，包括負責情緒相關記憶的杏仁核，以及儲存與環境信息相關的「內在認知圖譜」的海馬體。

對於科學來說，發現問題和解決問題一樣重要。和戴維斯的談話讓我意識到，神經科學家幾乎完全不清楚這其中的規則：大腦是如何把一段記憶分配到不同腦區負責加工並存儲於它們的神經元中的？

曾在戴維斯實驗室研究CREB的神經科學家希娜·喬斯林加入我們的研究團隊之後，第一個重大突破隨之而來。喬斯林在我的實驗室，以及多倫多大學她自己的實驗室中主持了一系列動物實驗，以病毒為載體，將過量的CREB基因拷貝轉入小鼠杏仁核的特定神經元。她發現這些過量表達CREB蛋白的神經元參與恐懼記憶儲存的可能性比周邊神經元高了近4倍。

經過近10年的努力，在2007年我和喬斯林的研究團隊共同發表了論文，表明情緒記憶並不是被隨機地分配到杏仁核的神經元中，而是被儲存到CREB表達量更多的神經元內。同樣重要的是，其他研究團隊的實驗表明，CREB在其他腦區也具有類似的功能，包括海馬和大腦皮層。

「分配-關聯」假說

CREB蛋白決定哪些神經元參與記憶儲存的能力——換言之就是記憶的分配——引導我提出了這樣一個假設：「記憶分配」可能就是大腦將兩段獨立的記憶關聯在一起的關鍵機制，我們的研究團隊將它命名為記憶的「分配-關聯」假說。因為記憶分配發生在一群CREB表達量較高、更容易激活的神經元中，所以這個過程啟動了這些神經元，讓它們做好準備去儲存另一段記憶。當兩段記憶共享了一定數量的神經元時，它們就正式地關聯在了一起。

因此，當個體回憶起關聯在一起的兩段記憶中的一段時，這些神經元就會激活，從而觸發對另一段記憶的回憶。這個假設的關鍵在於，我們推測兩段發生時間比較接近的記憶（比如在同一天內形成）比那些時間間隔較長的記憶更容易關聯在一起。當兩段記憶發生的間隔大於一天，後一段記憶的存儲就不再得益於前一段記憶所觸發的神經元興奮性的增強，因此將被存儲在完全不同的神經元群體中。這種帶有時間限制的記憶關聯屬性是有理可循的，因為在一天內發生的兩件事遠比間隔一周發生的兩件事更有可能關聯在一起。「分配-連接」假說本身已經足夠清晰明確，但我們應該怎樣去驗證它的合理性卻並不是一件容易的事。我們需要等待合適時機的到來。

在蔡迪卡和賈斯汀·肖布加入這項研究之後，轉機出現了。蔡迪卡想出了一個聰明的辦法：她與肖布一起，將小鼠先後放置於兩個不同的箱子中，中間間隔5小時，期望小鼠能把兩個這箱子的記憶關聯在一起。值得一提的是，在第二個箱子中，他們對小鼠進行了一次輕度的足底電擊（在第一個箱子中時，小鼠沒有受到電擊）。不出所料，當蔡迪卡把小鼠再次放回第二個受到足底電擊的箱子中時，它們表現出了僵立行為，這是因為小鼠回憶起它們曾在那裡受到過電擊。這種僵立行為是小鼠對恐懼的自然反應，因為多數捕食者更容易發現移動中的獵物，靜止不動能夠讓小鼠更有可能逃過被捕食的命運。

當蔡迪卡和肖布再次將小鼠放進第一個箱子里時，關鍵性結果出現了。我們推斷，如果小鼠在兩個箱子里形成的記憶是關聯的，那麼當它進入未遭受過電擊的箱子時，就會回憶起在另一個箱子中所遭受的刺激，進而表現出僵立行為——這正是我們此次實驗的發現。

我們進一步猜測，如果這兩段記憶的形成存在7天間隔，那麼它們就不太可能發生關聯。實際情況也正如我們所料，在較長的時間間隔後，將小鼠放進未遭受過電擊的箱子，並沒有喚起它們對另一個箱子的回憶，僵立行為也沒有出現。一般來說，當間隔時間大於一天的時候，兩段記憶就不會關聯在一起。

這些行為學結果令人感到興奮，但是依然沒有證實「分配-關聯」假說的關鍵部分：在較短時間間隔內形成的、相互獨立的記憶片段，儲存在同一腦區內有一定重合度的不同神經元群體中。這種生理上的重合使兩段記憶關聯在一起——對其中一段記憶的回憶會觸發另一段記憶的浮現。

U.C.L.A微內窺鏡

要驗證「分配-關聯」假說，最好的方法莫過於直接觀察記憶在大腦中的形成過程。雖然在活體小鼠身上實時觀察神經元活動的技術已經進入了實驗室，但這些技術全部都需要將小鼠的頭部固定在巨大的顯微鏡鏡頭下以滿足成像的需求，這對於我們接下來要做的、能夠驗證上述假說的行為學測試非常不便。

讓我感到非常神奇的是，在我的職業生涯中，每當我迫切需要某種新技術的時候，它就會適時出現。當時，我偶然參加了在加利福尼亞大學洛杉磯分校舉行的研討會，斯坦福大學的馬克·施耐澤教授在會上介紹了他們剛發明的、可以在自由活動的小鼠上觀察神經元活動的微型顯微鏡。這個重量只有2~3克的顯微鏡能夠像帽子一樣戴在動物頭上。這正是我們所需要的設備，可以用來跟蹤觀察被記憶激活的神經元。利用這種設備，我們能夠觀察一段記憶能否激活幾小時前曾儲存過一段記憶的神經元，從而判斷「分配-連接」假說是否正確。

這項精妙發明所帶來的希望極大地鼓舞了我們，我們決定在這項發明的基礎上，構建一個自家版本的微型顯微鏡——「U.C.L.A.微內窺鏡」的微型顯微鏡。與施耐澤的微顯微鏡相似，我們研發的新型微內窺鏡也需要將一個鏡頭埋置在準備觀察的神經元附近。微內窺鏡通過基座固定在動物頭骨上，以確保在任務訓練和記憶測試時保持穩定。為了能夠讓微內窺鏡監測到神經元活動，蔡迪卡和她的同事特里斯汀·舒曼利用了一種成像技術：通過基因工程手段，使神經元在胞內鈣離子水平升高時發出熒光，這就是所謂的「基因編碼的鈣離子指示劑」。我們決定集中觀察海馬CA1區，因為這個腦區負責空間和位置的學習記憶，比如在我們的行為學實驗中，小鼠對兩個不同箱子的記憶就與海馬CA1區有關。我們將帶著微內窺鏡帽子的小鼠先後放置在兩個箱子中，以便弄清楚它們進入兩個箱子的時間間隔是否會對神經元激活造成影響。

結果遠遠超出了我們的預期。微內窺鏡的觀測結果和行為學結果最終表明，當小鼠把這兩個箱子的記憶關聯在一起時，在進入第一個箱子時被激活的CA1區神經元中，有相當數量的細胞在小鼠進入第二個箱子時也被激活了。如果進入兩個箱子的時間間隔為5小時，小鼠會利用兩群組成非常接近的神經元形成屬於這兩個箱子的兩段記憶。當時間間隔延長到7天，激活的兩群神經元就不再有重合了。

這個發現令我們感到非常振奮，因為它確認了記憶「分配-關聯」假說的前提條件：當兩段記憶被分配到相互重合的神經元群體時，它們就會關聯在一起。在這之後，再次激活負責其中一段記憶的神經元群體，都會激活其他神經元，讓另一段記憶在大腦中重現。

為進一步驗證微內窺鏡發現的結果，蔡迪卡轉向了神經科學家馬克·梅福特建立的另一種方法：由梅福特開發的、名為TetTag系統的技術。當轉基因小鼠進入一個箱子形成記憶時，其大腦內被激活的神經元就會被TetTag標記上熒光信號，並且能夠維持數周。

在行為學實驗結束後，對安樂死的小鼠進行解剖，就能對不久前才激活、並被TetTag系統標記的神經元，以及那些已經被標記了較長時間的神經元進行比較。這種方法不僅可以鑒別出被一段記憶激活的神經元（在這種情況下，神經元只會呈現出一種熒游標記），還可以鑒別出在兩段記憶形成過程中都被激活了的神經元：這類神經元會同時發出兩種熒光。

蔡迪卡和她的團隊使用了與之前相同的實驗方案，並且發現，在間隔5小時的情況下，參與兩段記憶的神經元的重合比例，也就是同時被兩種熒游標記的神經元的比例，顯著大於對照組；而在間隔7天的情況下，編碼兩段記憶的神經元的重合比例與對照組之間沒有顯著差異。

增強老年記憶

接下來，我們決定研究一下年長小鼠的記憶關聯情況。與年輕小鼠相比，在年齡較大的小鼠大腦內，海馬CA1區等區域的神經元中的CREB蛋白水平要低一些，這導致了這些神經元的興奮性也較低。根據這一點，我們推測年齡較大的小鼠應該會在記憶關聯方面遇到困難。於是，蔡迪卡和同事使用中齡小鼠重複了我們之前做過的許多實驗。結果令人驚訝。我直到現在還記得當時蔡迪卡上氣不接下氣地衝進我辦公室的樣子。她告訴我，雖然中齡小鼠能記住每一個單獨的箱子，但它們很難把這些記憶關聯在一起，對於年輕小鼠來說毫不費力就能跨越的5小時間隔，成了中齡小鼠無法逾越的障礙。微內窺鏡成像結果表明，與青壯齡小鼠相比，年齡更大的中齡小鼠腦內負責兩段記憶的神經元群的重合度偏低。

這一結果讓我和蔡迪卡既興奮又疑慮，因此我們決定從頭開始重複這個實驗。第二次實驗獲得的結果更加具有說服力：中齡小鼠的神經元內CREB蛋白水平更低，不能像年輕小鼠那樣很容易就能實現記憶關聯。這些發現讓我們開始擴展研究範圍。我們是否可以在中齡小鼠探索兩個箱子的時候，人為增強CA1區神經元的興奮性，以確保在第一個箱子中被激活的神經元在小鼠進入第二個箱子時也能夠被激活？

為了實現這個目的，我們使用了一種開創性的技術，通過基因工程手段，讓在神經元的細胞膜上插入一種受體，從而控制神經元的功能。這種技術有一個令人難忘的縮寫——DREADD，它的含義為「設計受體僅能被專門藥物所激活」。在小鼠探索兩個箱子的時候，激活DREADD受體就能夠激活同一群海馬CA1神經元，這樣我們就能人為地在小鼠關於兩個箱子的回憶之間鑄造一條「連結通道」。

我必須要承認的是，這個實驗乍一看顯得很荒謬，有無數種因素可能成為失敗的理由。首先，個體對空間和位置的記憶涉及了數以百萬計的神經元，它們分布在多個相互連接的腦區內，不僅僅存在於海馬CA1區。衰老造成的記憶關聯障礙或許不會與所有腦區有關，但至少影響了其中的大部分。即使我們成功地增強了海馬CA1區部分神經元的興奮性，這些細胞也不一定就是負責記憶儲存的神經元。更甚者，我們也不能保證被激活的神經元恰到好處地達到一定程度的興奮水平。

但實驗成功了。這種碰運氣式的實驗關鍵在於你要掌握好投入（包括時間和金錢）與可能得到的回報之間的平衡。不過這次，幸運女神毫無疑問地站在了我們這一邊。通過增強中齡小鼠CA1區特定神經元群的興奮性，我們將兩段記憶分配到了重合度很高的兩群CA1神經元中，從而修復了中齡小鼠缺失的記憶關聯。

來自於其他實驗室的動物實驗和人類研究也揭示了一段記憶是如何與另一段記憶發生聯繫的。波士頓大學的神經科學家霍華德·艾肯鮑姆證明，大鼠能夠發現包含有共同內容的、不同記憶之間的關係。得克薩斯大學奧斯汀分校的神經科學家艾利森·普雷斯頓和同事的研究顯示，當記憶之間存在共享部分時，人們就更容易把這些記憶關聯在一起。只要回想起其中一段，另一段記憶也呼之欲出。

得益於檢測和控制神經元活動的技術的發展，大腦組織信息的神經機制漸漸明晰。我們的研究團隊一直在嘗試利用新方法來深入研究這個問題。與希臘分子生物學和生物技術研究所的神經科學家帕納約塔·波伊拉齊一道，我們正在構建計算機模型，用以模擬記憶是在什麼時候、以怎樣的方式關聯在一起的。我們也在探索不同的腦結構在控制時間間隔，從而形成記憶聯結的過程中所發揮的作用。我們希望，理解記憶的關聯機制能幫助醫療工作者發展針對記憶問題的治療手段。這是老齡化相關的認知衰退、精神分裂症、抑鬱症和雙相情感障礙等許多神經、精神類疾病的共同特點。比臨床意義更重要的是，我們所描述的這些實驗昭示了記憶研究新紀元的到來。這意味著科學進步將不再受制於我們能夠支配的技術手段，想像力才是決定我們探索極限的關鍵。

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