你在街上看到一位女士，看起來很眼熟——但你不記得在哪裡見過她。你的大腦無法將任何先前的經歷與這個人聯絡起來。幾個小時後，你突然想起在朋友家聚會上見過她，你才意識到她是誰。
在一項針對小鼠的新研究中，研究人員發現了大腦中負責兩種熟悉感——模糊的識別和完全的回憶——的區域。而且，兩者都由兩種不同的神經程式碼表示。這項發表在2月20日《神經元》雜誌上的研究結果，展示了使用先進的計算機演算法來理解大腦如何編碼諸如社會新奇性和個體身份等概念，哥倫比亞大學莫蒂默·B·祖克曼心智大腦行為研究所的神經科學家、該研究的共同作者史蒂文·西格爾鮑姆說。
陌生人的大腦特徵比老朋友的特徵更簡單——西格爾鮑姆說，考慮到這兩種關係所需的記憶需求截然不同，這很有道理。“你在哪裡，你在做什麼，你什麼時候做的，還有誰[在那裡]——對熟悉的人的記憶是一種更豐富的記憶，”西格爾鮑姆說。“如果你遇到一個陌生人，就沒什麼可回憶的。”
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這一活動發生在被稱為海馬體的大腦區域的一小部分中，海馬體以其在形成記憶中的重要性而聞名。所討論的這一小部分被稱為CA2，似乎專門研究用於回憶關係的某種記憶。“[這項新工作]真正強調了這個大腦區域對社會處理的重要性”，至少在小鼠中是這樣，美國國家環境健康科學研究所的神經科學家塞雷娜·杜德克說，她沒有參與這項研究。
大約十年前，西格爾鮑姆實驗室的一名學生幫助確定了這一作用，當時他開發了一種在小鼠中沉默CA2的基因方法。在CA2失效的情況下，小鼠無法區分不熟悉的小鼠和同窩小鼠。記憶缺陷僅限於社交背景，而不是例如對物體或沒有社交意義的位置的記憶：例如，小鼠仍然可以識別熟悉的物體，或在迷宮中導航。“令人驚訝的是，這個特定的子區域對於小鼠的社交記憶至關重要，”西格爾鮑姆說。
但這仍然不清楚該區域的細胞是如何執行這項功能的。“問題是：在CA2區域，這些小鼠的大腦中發生了什麼？”西格爾鮑姆說。為了回答這個問題，西格爾鮑姆的團隊必須設計一種方法來記錄社互動動期間CA2中的神經活動，並分析這種活動。
2018年，當時的博士生拉拉·博伊爾開始著手解決使用微型顯微鏡記錄CA2內部活動的問題，微型顯微鏡是一種小到可以像帽子一樣戴在小鼠頭上的顯微鏡。博伊爾是這篇新論文的共同作者，她賦予CA2神經元一種在鈣存在下會發光的蛋白質，鈣是一種礦物質，當細胞活躍時會湧入神經元。她定位顯微鏡以檢測輝光，測量其強度，並將測量結果轉換為電訊號，供計算機處理。
當一隻小鼠與兩隻不熟悉的小鼠、兩隻同窩小鼠或一隻同窩小鼠和一隻陌生小鼠互動時，該裝置一次記錄50到60個神經元的活動。每對小鼠分別被關在籠子左右兩側的小型金屬絲“杯子”中。研究人員希望，透過比較互動期間的大腦活動，可以揭示小鼠如何將其他小鼠識別為陌生小鼠或同窩小鼠，或者如何區分它們作為個體。然而，事實證明，科學家們最初無法充分理解這些訊號，以確定大腦是如何做出這些判斷的。
因此，在2020年，博伊爾和西格爾鮑姆與祖克曼神經科學家斯特凡諾·富西和博士後研究員洛倫佐·波薩尼合作，他們構建了一個“線性解碼器”，這是一種可以破譯大量神經模式的軟體。正如新論文報道的那樣，解碼器處理了單個小鼠的反應，以找出大腦如何加密社會熟悉度和身份。富西說，小鼠大腦使用“非常特殊的程式碼”來表示其他小鼠。
解碼器揭示了一種適用於各種成對的新遇到的和熟悉的小鼠的新奇性和熟悉性概念的神經特徵。“[俗話說]大腦中的某個地方會亮起一盞燈，說‘新奇性’或‘熟悉性’，與這些小鼠的身份無關，”西格爾鮑姆說。“這可能是這項研究最大的頓悟時刻之一。”
更重要的是，小鼠的CA2神經元區分新奇動物和熟悉動物的能力越強，這種動物似乎就越擅長區分杯子中的小鼠。因為小鼠喜歡新奇事物，所以它們更喜歡與陌生小鼠而不是同窩小鼠相處。因此，線性解碼器識別出大腦具有最敏銳的新奇性探測器的小鼠，與熟悉的小鼠相比，花費更多的時間嗅探新奇的小鼠。
研究人員還發現了使小鼠能夠區分兩隻熟悉動物或兩隻陌生動物的神經模式。“你可以以高於偶然的水平解碼，不僅可以解碼[小鼠是否感知到]一隻新奇動物或一隻熟悉動物，還可以解碼[也]那隻動物的身份，”杜德克說。
西格爾鮑姆說，大腦捕捉身份的方式對於陌生動物和熟悉動物是不同的。例如，研究人員確定，當這些小鼠是熟悉的時，社會身份的神經程式碼在更大程度上取決於小鼠在杯子中的位置，這與已知個體的記憶紮根於地點以及其他細節的想法一致。相比之下，陌生人沒有附加此類細節，因此程式碼更簡單，他說。
富西說，這些新發現的大腦特徵背後的原理可以為更好的機器學習系統提供資訊。目前，計算機必須以非常特殊的方式接受新資訊的訓練，否則它們會遭受先前知識的“災難性遺忘”。“如果你想讓[機器學習系統]在整個生命週期中不斷學習，我們沒有辦法做到這一點，”富西說。“機器不像我們一樣在自然環境中學習。”他說，對動物大腦如何編碼社會資訊的新理解，可能會為解決災難性遺忘問題產生想法。
日本理化學研究所腦科學中心的神經科學家托馬斯·麥克休說，這項研究的結果也代表著朝著完全理解社會記憶邁出的一小步，他沒有參與這項研究。“我們作為一個領域真正想要理解的是，如何形成一個整合所有這些組成部分的記憶——我們與誰互動，我們在哪裡，我們在做什麼——事件或情節的內容，”麥克休說。“這項[研究]為我們提供了關於我們如何做到這一點的一些想法。”
杜德克說，CA2不太可能在這個過程中單獨行動，因為它與其他大腦區域相連，這些區域也在社會學習、記憶和行為中發揮作用。但是，如果小鼠的發現適用於人類，這項工作可能有助於研究人員揭示人類社會困難的根源，例如精神分裂症和自閉症中發生的那些困難。例如，科學家可以尋找這些疾病的基因小鼠模型中CA2神經元神經程式碼的變化。“擁有這些基線資料對於理解這些模型中的變化至關重要”，這是理解人類變化的第一步，麥克休說。
西格爾鮑姆說，從那裡，研究人員可能會找到使該回路正常化的方法，以改善社會記憶。“有多少種不同的記憶障礙？”他補充說。“它們都涉及神經處理的相同型別的變化，還是與不同形式的疾病相關的更具體的變化？”西格爾鮑姆說，更好地分類這些變化可能會帶來更有針對性的治療方法。