在小鼠海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)了編碼驚嚇情景經(jīng)歷的神經(jīng)編碼單元。
這些編碼單元通過它們的激活狀態(tài)可以把任何一種驚嚇經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成一串二進制數(shù)字。
這種數(shù)字化的編碼形式，使得科學家們能夠?qū)Σ煌膫�體乃至不同種群動物的大腦編碼活動進行直接的比較和分析。
一陣冷風吹過，“咔喳、咔喳——”
屏幕上的腦電波，突然偏離了穩(wěn)定的行走路線，沖動了起來，就像零落奔跑的腳步聲，向?qū)嶒炇乙u來。
這不是什么懸疑電影的場景，而是一只灰色的小老鼠“回憶”的聲音。
這個聲音讓41歲的林龍年——這位華東師范大學腦功能基因組學研究所副教授著迷。如果恰巧你就在身邊，他會告訴你，這是小鼠受到刺激之后，我們觀測到的腦電波，此時此刻在小鼠大腦里真實發(fā)生的是一場電波亂竄的情景，宛如宇宙中無數(shù)的流星無序地對接，產(chǎn)生耀眼的光芒。
這一切和人腦的記憶很相似，當我們遇到終生難忘的事情，我們的大腦就是這樣把電閃雷鳴般的記憶變成烙印。
我們究竟是怎么記住紛繁復雜的世界？我們把所有的記憶存放在大腦的哪里？我們又是怎樣存放的？是不是像福爾摩斯所說，人類的記憶就像一個閣樓，多裝一些有益的就要清除一些無用的？
2005年4月12日，林龍年與美國波士頓大學錢卓教授在世界上首次發(fā)現(xiàn)大腦記憶的編碼單元與大腦密碼的解讀方法。美國科學院院士、著名神經(jīng)學家Tom Sudhof教授評價說：“肯定會對神經(jīng)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生深遠影響。”
林龍年對大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡的基本運作規(guī)則的探索，就是解答大腦怎樣來儲存信息，又是怎樣通過記憶加工的方法對信息進行處理，就和電腦的編程一樣。研究大腦神經(jīng)元在網(wǎng)絡層次上的編碼，將一步步展示出人類大腦是如何進行記憶的。
“海馬”掌握記憶秘匙
現(xiàn)今科學家的研究表明，記憶不是一種分子，并非這個分子代表了一個人臉，或者鼻子，不管是DNA、RNA，蛋白質(zhì)都不可能代表一種記憶。記憶在腦內(nèi)到底是怎樣一種藏法呢？大多數(shù)科學家認為記憶存儲在大腦神經(jīng)元的網(wǎng)絡上。
大腦的結(jié)構(gòu)很復雜的，人腦由140億個神經(jīng)元組成，據(jù)說比銀河系所有星星的數(shù)量還多，更復雜的是每個神經(jīng)元與神經(jīng)元之間都有連接，在140億個神經(jīng)元的每個上面又有幾萬個連接，這就形成一個復雜的網(wǎng)絡。
在與記憶密切相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)中，“海馬”(因其形似海馬而得名)發(fā)揮著舉足輕重的作用，它負責將人們新的經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為長期的記憶。
海馬對記憶的重要作用早在1957年就被科學家發(fā)現(xiàn)了。當時有個病人叫H·Ｍ，年幼時摔了一跤后患上癲癇，27歲的時候必須要做切除手術(shù)。癲癇就是正常神經(jīng)元的“發(fā)瘋”，過量地放電，這個病人的癲癇正好在“海馬”區(qū)域，只要把這塊發(fā)病細胞拿掉就可以治愈癲癇。但這個病人的雙側(cè)海馬都有問題，所以把他的雙側(cè)海馬都拿掉了。醫(yī)生發(fā)現(xiàn)每次回來復診的時候，H·Ｍ都會向醫(yī)生重新作自我介紹，就讓醫(yī)生覺得奇怪。結(jié)果進行了系統(tǒng)的分析以后，發(fā)現(xiàn)H·Ｍ的長時記憶都沒有問題，暫時記憶都很好，只是不能把新的暫時記憶變成長時記憶。
這個發(fā)現(xiàn)相當于告訴所有研究記憶的科學家，“海馬”是多么神秘的地帶。
1999年，錢卓和其領(lǐng)導的研究小組正是通過調(diào)節(jié)小鼠的海馬和前腦中的NR2B基因，在美國普林斯頓大學制造了著名的“聰明鼠”，揭示了學習與記憶過程中的重要分子機制。
但是究竟什么是記憶，聰明鼠究竟如何儲存信息，形成記憶，并且在此后提取自己的記憶并且表達信息，這成為研究組一直思考的問題。
神經(jīng)元網(wǎng)絡的運動軌跡
2002年，林龍年決定通過了解小鼠在環(huán)境中遇到強烈刺激時大腦皮層神經(jīng)元的反應，來測試小鼠大腦中海馬區(qū)究竟如何形成記憶，并在此后提取這一記憶。
海馬腦區(qū)是小鼠大腦中掌管學習和記憶的最主要的區(qū)域，只有半粒米大小，在它的CA1細胞層大約有緊密排列著20到30萬個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元之間還會形成不同形式的神經(jīng)元網(wǎng)絡。同時海馬區(qū)又是所有動物的大腦中都存在的，并且有著相似的結(jié)構(gòu)，承擔同一功能。
“我們猜想，大腦中會有許多神元參與這些記憶的編碼，所以我們想通過巧妙的實驗設計和最新的技術(shù)相結(jié)合，來探索大腦中記憶編碼的奧秘。”林龍年說。
多通道在體記錄技術(shù)的出現(xiàn)，使得林龍年和他的同事們研究成為可能。
這種技術(shù)在時間和空間的分辨率都很高：在時間上可以縮短到毫秒級，這個正是神經(jīng)元細胞單位運動的時間；空間上可以針對單個神經(jīng)元細胞，一個神經(jīng)元細胞的直徑是20微米左右。林龍年動手研制了世界上最輕巧的96-通道微電極驅(qū)動裝置，將96根比頭發(fā)還細得多的微電極懸浮于要研究的小鼠腦細胞之上，可以避免將小鼠所有腦細胞殺死，同時觀察到小鼠海馬區(qū)260個神經(jīng)元組成網(wǎng)絡的運動情況。而過去記錄小鼠神經(jīng)元活動的最高紀錄是40多個，電極個數(shù)的最高紀錄也只有10多個。
小鼠頭上插著一個96-通道微電極驅(qū)動裝置推進器，這是監(jiān)控它大腦活動的“探頭”。為了幫小鼠“減負”，科學家在這個推進器上方系了一個老虎形狀的大氣球，免得壓得小鼠抬不起頭來。這只小鼠正在自己的“窩”里玩玩具——幾個木制的汽車、娃娃。從顯示器上看，它的大腦神經(jīng)元活動很平靜，“咔嗒咔嗒”的神經(jīng)元活動聲也很均勻。
林龍年設計了三個強烈的刺激。
第一個實驗如同武俠小說里夜黑風高的場景，小鼠被背后吹來的一陣冷風嚇了一跳；第二個實驗是小鼠被放在一個小盒子里，盒子快速地晃動，模擬地震時的振動；第三個實驗就是自由落體實驗，模擬坐過山車時的強烈刺激。
這三個實驗在兩個小時里依次進行，中間有間隔的時間，每種刺激反復給出7次。
在研究室的電腦屏幕上，神經(jīng)元變化圖密密麻麻地記錄了小鼠剛才的所思所想。
海馬區(qū)的神經(jīng)元只有兩種狀態(tài)，要么活動要么不活動。小鼠在每次“歷險”時，電腦上的神經(jīng)元活動圖像出現(xiàn)了強烈的反應：在所有260個神經(jīng)元里，有的神經(jīng)元放電頻率變快，有的變慢，有的就停下來一段時間，表現(xiàn)了不穩(wěn)定性。有15個神經(jīng)元，給了同樣的刺激，每個神經(jīng)元的放電頻率都在增加，增加的量都不一樣，反應都不穩(wěn)定�？梢韵胂笠幌拢趶娏业拇碳は�，小鼠的腦內(nèi)好似產(chǎn)生了無數(shù)次的電閃，“劈劈啪啪”地跳躍不停。
這些不穩(wěn)定的神經(jīng)元的反應又說明了什么？
發(fā)現(xiàn)記憶編碼
單個神經(jīng)元怎么來編碼，這是個很難回答的問題。林龍年考慮到了一個多神經(jīng)元編碼的可能。他把有反應的神經(jīng)元都拿出來進行統(tǒng)計。
假如成組觀察的話，林龍年發(fā)現(xiàn)它們的反應都很穩(wěn)定：有的組的神經(jīng)元只對吹冷氣的實驗有反應，有的組只對自由落體的實驗有反應，而它們各自對其他組都沒有反應。接著林龍年對每個組的神經(jīng)元進行了編碼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在反復刺激下，這樣的編碼永遠不會重復，林龍年覺得這個結(jié)論可以作為大腦對外界活動的一個表征。
“其實，不管什么記憶，都不像我們以前認為的單個神經(jīng)元在起編碼作用，而關(guān)鍵是這個神經(jīng)元是否參與這個事件的反應”。實驗中，林龍年還發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，就是有一組特質(zhì)神經(jīng)元和驚恐刺激有關(guān)，他將它命名為“神經(jīng)編碼單元”。
簡單地說，記憶編碼是以單元活動的，而不是受某一個神經(jīng)元的變化所控制�？茖W家們通過這些編碼單元的激活與否，把每一種驚嚇經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成一串二進制數(shù)字，這種數(shù)字化的編碼形式使得他們能夠?qū)Σ煌膫�體乃至不同種群動物的大腦編碼活動進行直接的比較和分析。
在分析了大量的神經(jīng)元活動情況后，研究人員已經(jīng)可以根據(jù)小鼠的神經(jīng)元圖譜，來推測它受到了哪種驚嚇刺激。
據(jù)林龍年介紹，目前研究實驗涉及的記憶刺激還很有限，只是驚恐方面的刺激，所觀察到的神經(jīng)編碼單元也很有限，只有7-8個單元。科學家們還設想有很多其他的記憶單元，它們?nèi)绻倮^續(xù)組合，就形成了一種編碼能力。
雖然目前實驗對象只是小鼠，但林龍年說：“小鼠和人腦的差別主要在皮層方面，但底層結(jié)構(gòu)是相同的，我們?nèi)祟惡托∈蟮纳窠?jīng)元編碼方式是一樣的。”所以如果能完全破解小鼠海馬區(qū)學習和記憶的奧秘，那么對破解人腦的奧秘將大有幫助，甚至可以制造出具有人類思維方式的機器人，他們能夠獨立思考，懂得聯(lián)想，甚至有情有義，而“聰明鼠”就是一個典型。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/danao/18485.html
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