尋找記憶痕跡

俞之凡

什么是記憶？1904年，德國生物學家理查德·西蒙提出了一簇簇離散的大腦細胞結合在一起形成記憶痕跡的理論，他將這種假想中的物理電路印跡稱為“記憶印跡”或“記憶痕跡”。“記憶痕跡”在科學教（Scientology）和科幻小說中是一個有著強大生命力的題材。

為證明記憶痕跡在大腦中的真實存在，科研人員就要用光激活的“鑷子”將精細的記憶痕跡“電路”挑揀出來。2012年，美國麻省理工學院實驗室的研究人員使用這樣的“光鑷子”首次發(fā)現(xiàn)了記憶痕跡的真實存在。研究揭示，記憶痕跡在大腦海馬體部分形成，然后上傳存儲到最外層的大腦皮層。

人類記憶如何形成并存儲的第一個實驗證據可以追溯到1953年。時年27歲的美國人亨利·莫萊森接受了海馬體切除手術，以治療頻繁的癲癇發(fā)作。但是令他的外科醫(yī)生感到恐懼的是，手術也破壞了他的大腦創(chuàng)建新記憶的能力，盡管他仍然保留了過去的記憶。

這個意外的實驗揭示了海馬體編織新記憶的功能，尤其是與“情景”密切相關的記憶，比如，你某天早上在公園里散步時的所見所聞。然而，這些記憶細節(jié)并不是一直存儲在海馬體中的。隨著時間的推移，它們被轉移到外部腦皮層。我們從一些實驗中得知，當患者的外部腦皮層部分受到電刺激時，就會回憶起某些特定記憶。

記憶上傳到大腦皮層通常會涉及到一個信息壓縮的過程，這有點像我們壓縮計算機文件進行長期存儲的方式。日本腦科學研究所和美國麻省理工學院在之前一項合作研究中，通過一種稱為“光遺傳學”的先進技術，發(fā)現(xiàn)了這種記憶印跡，并以德國生物學家理查德·西蒙之名將其命名為“西蒙印跡”。研究者認為，某個記憶會在大腦中留下物理痕跡，當大腦受到相應刺激時就能將這段記憶激活。

早在幾十年前，在研究人員了解神經元通過電脈沖發(fā)送信號之前，西蒙就提出了這一想法。自那以后，研究人員解開了神經元之間通過大量生物電信號傳遞信息的奧秘，并揭示了學習和記憶與神經元之間的連接或突觸增強之間的聯(lián)系。

然而，無人能將大腦中特定的神經元集合與特定記憶相匹配。1999年，諾貝爾獎得主弗朗西斯·克里克認為，要破解大腦記憶的奧秘，可以用光脈沖來激活生物體大腦中的單個神經元。他寫道：“這聽起來似乎有點玄，但并非不可想象，分子生物學家有可能設計一種特定類型的光敏細胞?！痹谒岢鲞@個想法僅6年后，美國斯坦福大學的神經科學家就在光遺傳學領域內取得了突破性的進展。他們選擇了一種綠藻光敏感通道蛋白用作“光敏開關”，將克里克的設想變成了現(xiàn)實。

研究人員以某種感染病毒為載體，將單個光敏感通道蛋白基因插入到單個神經元中，并確保只讓最近產生記憶的細胞產生光開關基因，新產生記憶的細胞會生成一種叫做“c-fos”的蛋白質，因而光開關基因被設計成只在生成c-fos蛋白的細胞中產生。

2012年，研究人員利用這種光基因技術證明了恐懼記憶印跡的存在。一只老鼠被放入一個四壁有著獨特圖案，地面有著獨特紋理的箱子里，每次將它放進箱子里時，就向它施以電擊。經過多次電擊帶來的恐懼之后，只要將它放進箱子里，即使沒有對它施加電擊，也足以令它產生害怕畏縮的反應。

研究人員還發(fā)現(xiàn)海馬體中有一組細胞在積極地制造光敏開關。這一確鑿證據表明，這些細胞都參與了記憶的形成過程。為了證明這一點，科學家們將一束光纖探針插入老鼠大腦，并抵達海馬體瞄準了這些細胞。當藍光掃過海馬體時，老鼠明顯被嚇呆了，似乎重新體驗了在電擊箱里受電擊時的記憶。這是首次發(fā)現(xiàn)記憶痕跡存在的證據，證明一組幾百個細胞在受到光刺激時，記憶被重播出來。

在這項研究中，研究人員還想知道，隨著時間的推移，小鼠海馬體中的記憶痕跡會發(fā)生怎樣的變化。研究表明，大腦皮層中的一小塊特殊區(qū)域——前額葉皮層是恐懼記憶最終被儲存起來的地方，因此研究人員用含有光開關基因的病毒感染了前額葉皮層的細胞。令人驚訝的是，用光刺激前額葉皮層細胞也可觸發(fā)記憶，證明記憶印跡似乎也同時上傳到了前額葉皮層。這一發(fā)現(xiàn)令人吃驚，因為這表明皮質記憶可能是在同一天創(chuàng)建的，而不是如設想中那樣逐漸形成的。

然而，當研究人員將老鼠放進電擊室，曾經的記憶讓它產生畏縮害怕情緒時，前額葉皮層的相應細胞卻沒有反應（對分離出的大腦組織化學活性的檢查也證實了這一點）。只有在電擊體驗幾周后，再將老鼠放進電擊室時，前額葉皮層的細胞才被激活，而與之相反，海馬體的這一記憶印跡則開始消退。

由此可見，長期的記憶存儲，一開始只是在大腦前額葉皮層形成一個“沉默”的副本，只有在海馬體的記憶痕跡漸漸消除之后，大腦前額葉皮層的相應記憶才逐漸鞏固下來，成為長期儲存的記憶。

鞏固記憶的另一個關鍵是前額葉皮層需要同時從海馬體和杏仁核（大腦的情感中樞）獲取信息。當研究人員使用光開關基因阻斷海馬體或杏仁核的神經元信息輸入時，大腦皮層的記憶就無法得到鞏固。

破解記憶的奧秘將會給人類帶來哪些好處呢？雖然我們不能直接植入光開關基因，但仍然可以通過一種被稱為“腦深部電刺激”的技術將細小的電極植入大腦中的某個特定區(qū)域，這種技術已經被廣泛用于治療帕金森氏癥等疾病?？梢韵胂?，未來的某一天，人類有可能將使用類似的技術來操縱大腦中的記憶。鑒于這一領域內科技的迅猛發(fā)展，操縱大腦記憶印痕的時代可能已經離我們不遠了。