我們的大腦是如何知道“這個”發生在“那個”之後的？兩個人相遇、相愛，從此幸福地生活在一起——或者有時並非如此。發生在我們頭腦中的事件順序——一件事情接著一件事情發生——可能與最近在人類海馬體中發現的所謂時間細胞有關。這項研究為我們的大腦如何在中間存在時間間隔的情況下了解記憶的開始和結束提供了證據。隨著這些研究的繼續，這項工作可能會為記憶恢復或增強策略鋪平道路。
這項研究的重點是“情景記憶”，即記住過去經歷的“內容、地點和時間”的能力，例如回憶你今天醒來後做了什麼。這是正在進行的努力的一部分，旨在確定該器官如何創造此類記憶。
由法國國家科學研究中心的神經科學研究員萊拉·雷迪領導的團隊，試圖瞭解海馬體中的人類神經元如何在學習步驟序列中表示時間資訊，從而揭開大腦中時間細胞功能的神秘面紗。在今年夏天發表在《神經科學雜誌》上的一項研究中，雷迪和她的同事發現，為了組織不同的體驗時刻，人類時間細胞在每個任務期間的連續時刻放電。
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該研究進一步證實，時間細胞位於海馬體中，海馬體是關鍵的記憶處理中心。它們隨著事件的展開而開啟，提供體驗中時間流逝的記錄。“這些神經元可能在記憶在大腦中的表示方式中發揮重要作用，”雷迪說。“瞭解編碼時間和記憶的機制將是一個重要的研究領域。”
該研究的共同作者、荷蘭神經科學研究所視覺和認知部門的高階研究員馬修·塞爾夫強調了這些海馬體時間細胞在將體驗編碼為記憶中的作用的重要性。“當我們回憶起一段記憶時，我們不僅能夠記住發生在我們身上的事情，還能記住我們在哪裡以及何時發生在我們身上，”他說。“我們認為時間細胞可能是編碼事件發生時間的潛在基礎。”
雖然研究人員幾十年來就知道齧齒動物大腦中存在時間細胞，但它們是去年年底才由德克薩斯大學西南醫學中心的研究人員及其同事首次在人腦中被發現的。為了更好地瞭解這些細胞，雷迪和她的團隊檢查了癲癇患者的海馬體活動，這些患者的大腦中植入了電極，以評估其病情的可能治療方法。受試者同意在手術後參與兩個不同的實驗。
“在手術過程中，電極透過頭骨上大約兩毫米的小孔插入。這些孔被密封，直到患者從手術中恢復過來，並在癲癇監測室（EMU）中用植入的電極監測長達兩週，”塞爾夫說。“我們在患者在EMU中執行任務時記錄海馬神經元活動，時間大約為術後一週。”
在第一個實驗中，研究參與者被呈現一系列五到七張不同人物或場景的圖片，這些圖片以預定的順序重複多次。給定的影像，例如一朵花，顯示 1.5 秒，然後是半秒的暫停，然後再顯示另一張影像——例如一隻狗。在整個會話中隨機 20% 的影像間隔中，圖片遊行停止，參與者必須在繼續之前決定兩張影像中的哪一張是序列中正確的下一張。研究人員發現，在整個序列重複 60 次的過程中，所有時間敏感的神經元都在測驗之間的特定時刻放電，無論顯示哪張影像。
第二個實驗遵循相同的設計，只是在序列重複固定次數後，顯示一個黑色螢幕 10 秒——一個旨在分散注意力的間隙間隔。對於一半的參與者，這些間隔發生在序列每重複五次之後（導致實驗中有六個間隙）。對於其餘參與者，它們發生在序列每重複兩次之後（導致 15 個間隙）。該序列僅重複了 30 次。
第二個實驗中的參與者在記錄大腦中單個細胞的電活動的同時，接受了關於影像在序列中順序的測驗。一些神經元在一個時刻放電，對應於特定的影像。另一些則在另一個時刻為不同的影像放電。對應於特定影像的時間細胞仍然在未顯示影像的 10 秒間隙中開啟。這些間隙似乎有助於受試者記住更多的圖片及其正確的順序。在間隙期間，約 27% 的時間細胞被啟用。
為了解決時間資訊是否存在於海馬神經元活動中的問題，研究人員刺激了時間細胞神經元的一個子集，這些神經元是響應影像而啟用的。每個神經元的放電活動被建模為時間、影像身份以及時間段是否對應於影像或刺激間間隔 (ISI) 期間（圖片之間 0.5 秒的間隙）的函式。
研究人員可以根據整組神經元的活動解碼不同的時間時刻——這證明人腦包含時間跟蹤神經元。“我們認為海馬體中的時間細胞群體代表了幾個不同且重疊的時間尺度，”塞爾夫說。“這些細胞的活動貫穿整個試驗，為事件提供時間戳。”然而，這些細胞也代表我們記憶的內容（“內容”以及“時間”）這一事實使事情變得更加複雜，他解釋說。“我們不完全理解記憶是如何編碼的，”塞爾夫說，“但整個海馬體的活動模式似乎同時為我們提供了體驗的時間戳和內容。”
塞爾夫補充說，這些資訊可能與指示體驗背景的訊號相結合，但需要進一步研究才能瞭解這種機制。“編碼你在一個事件開始時看到了你的朋友是沒有用的，而沒有同時編碼背景——即事件涉及‘在超市裡走動’，”他說。“我們未來的研究旨在瞭解時間資訊如何與背景資訊相結合，為我們的記憶提供時間結構。”
結果似乎與之前在大鼠身上進行的研究相似，這些研究表明時間細胞與“概念細胞”相同，後者對同一刺激的不同表示做出反應——這些細胞既編碼概念也編碼時間。“大鼠海馬體中的時間細胞也是位置細胞，當大鼠位於特定位置時會做出反應，”塞爾夫說。“似乎海馬細胞是多維的，可以在其放電模式中編碼我們體驗的不同方面。”
加州大學聖地亞哥分校神經生物學部門主席斯特凡·勒特格布評論說，這篇論文回答了關於人類時間細胞的一個關鍵問題。“目前的研究做出了幾個重要貢獻。首先，它進一步證即時間細胞不僅在齧齒動物海馬體中很常見，而且在人類海馬體中也可以高比例地觀察到，”未參與這項工作的勒特格布說。“事實上，與之前的研究相比，在本研究中人類檢測到的時間細胞比例更高。”
這些發現可能解釋了為什麼一些海馬體（每個大腦半球各有一個）受損的人可以記住事件，但在將事件按正確順序排列時遇到困難——這是阿爾茨海默病和其他神經退行性疾病患者的問題。“希望對記憶功能的細胞貢獻的清晰理解將使我們更接近於理解為什麼記憶功能在某些疾病中會喪失，以及如何治療這些疾病，”奧斯陸大學生理學副教授約爾根·舒格說，他沒有參與這項新研究。
該領域的研究人員期待進一步開展這項工作。“下一步是開發調節時間細胞和時間細胞迴路活動的非侵入性或侵入性方法，”德克薩斯大學西南分校神經外科副教授布拉德利·萊加說，他是去年首次記錄人類大腦中存在時間細胞的研究的資深作者。“這可能為記憶恢復或增強提供神經調節策略。還可以監測時間細胞的活動，以確定在進行此類手術期間施加電脈衝時會發生什麼。”
一些科學家認為，這項工作可能有助於有一天開發“記憶假體”——一種允許計算機透過放置在大腦中的電極插入或刪除記憶的技術。這樣一步會引發關於操縱記憶的倫理問題，但這可能還不太可能實現。
這項潛在技術也可用於治療創傷後應激障礙或阿爾茨海默病。“開發此類裝置以便可以刪除或插入記憶可能很誘人，但我不明白如何監管這些裝置以防止濫用（插入虛假記憶或刪除重要記憶），”約爾根說。“我認為更合理的策略是將我們的努力集中在預防記憶障礙的治療上。”
“我希望在人類身上進行的工作可以揭示時間細胞實際上是如何促成獨特的一次性記憶的編碼和回憶的，”他補充道。“那麼，當這項新興研究將被用於幫助我們理解我們的大腦如何在事件之間存在時間間隔的情況下知道記憶的開始和結束時，人類將是樂觀的。”