對於一個不是《神探夏洛克》超級粉絲的人來說，認知神經科學家 Janice Chen 比大多數人更瞭解 BBC 熱播的偵探劇。藉助腦部掃描器，她窺探觀眾在觀看該系列劇集的第一集並描述劇情時，他們頭部內部發生的事情。
Chen 是約翰·霍普金斯大學的一位研究人員，她聽過關於早期場景的各種不同版本，其中一個場景是一位女士在停屍房裡與那位出了名冷淡的偵探調情。有些人覺得夏洛克·福爾摩斯很粗魯，而另一些人則認為他沒有注意到這位女士緊張的示好。但是，當 Chen 和她的同事掃描觀眾的大腦時，他們發現了一些奇怪的事情：當不同的人複述他們自己版本的同一場景時，他們的大腦產生了非常相似的活動模式。
Chen 是一批越來越多的研究人員之一，他們使用腦成像技術來識別建立和回憶特定記憶所涉及的活動模式。過去十年中，人類和動物神經科學領域的強大技術創新使研究人員能夠揭示關於個體記憶如何形成、組織和相互作用的基本規律。例如，透過使用標記活躍神經元的技術，研究團隊已經定位了與齧齒動物痛苦刺激記憶相關的迴路，併成功地重新啟用這些通路以觸發記憶。在人類中，研究已經確定了特定回憶的特徵，這揭示了大腦組織和連結記憶以幫助回憶的一些方式。這些發現有一天可能有助於揭示為什麼記憶會在老年或疾病中衰退，或者虛假記憶如何悄悄潛入目擊證詞。這些見解也可能為改進學習和記憶的策略提供方向。
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這項工作代表了對先前記憶研究的巨大突破，先前的研究更多地是識別更籠統的位置和機制。“來自齧齒動物和人類的結果現在真的開始融合在一起了，”加拿大多倫多兒童病醫院的神經科學家 Sheena Josselyn 說。“我無法想象還會想關注其他任何東西。”
尋找記憶印跡
單個記憶的物理痕跡——也稱為記憶印跡——長期以來一直難以捉摸。心理學家 Karl Lashley 是最早追求它的人之一，並將他職業生涯的大部分時間都投入到這項探索中。從 1916 年左右開始，他訓練老鼠跑過一個簡單的迷宮，然後摧毀了一塊皮層，即大腦的外表面。然後他再次將它們放入迷宮中。通常，受損的腦組織幾乎沒有什麼影響。年復一年，老鼠記憶的物理位置仍然難以捉摸。1950 年，Lashley 總結了他的雄心勃勃的任務，寫道：“在回顧關於記憶痕跡定位的證據時，我有時覺得，必要的結論是學習根本不可能。”
事實證明，記憶是一個高度分散式的過程，並非侷限於大腦的任何一個區域。不同型別的記憶涉及不同的區域集合。許多對於記憶編碼和提取很重要的結構，例如海馬體，都位於皮層之外——而 Lashley 在很大程度上錯過了它們。現在大多數神經科學家認為，給定的經歷會導致這些區域中的一部分細胞放電，改變它們的基因表達，形成新的連線並改變現有連線的強度——這些變化共同儲存了一個記憶。根據目前的理論，當這些神經元再次放電並重放與過去經歷相關的活動模式時，就會發生回憶。
科學家們已經研究出了這個廣泛框架的一些基本原理。但是，測試關於神經元群如何儲存和檢索特定資訊片段的更高階理論仍然具有挑戰性。只有在過去十年中，動物身上用於標記、啟用和沉默特定神經元的新技術才使研究人員能夠精確定位哪些神經元構成單個記憶。
Josselyn 幫助領導了這一研究浪潮，進行了一些最早的研究，以捕獲小鼠的記憶印跡神經元。2009 年，她和她的團隊提高了杏仁核（一個參與處理恐懼的區域）中某些細胞內一種名為 CREB 的關鍵記憶蛋白質的水平，並表明當小鼠學習並隨後回憶起聽覺音調和足部電擊之間的恐懼關聯時，這些神經元特別容易放電。研究人員推斷，如果這些 CREB 增強的細胞是恐懼印跡的重要組成部分，那麼消除它們將消除與音調相關的記憶，並消除動物對它的恐懼。因此，該團隊使用毒素殺死 CREB 水平升高的神經元，動物永久地忘記了它們的恐懼。
幾個月後，加州大學洛杉磯分校 Alcino Silva 的研究小組取得了類似的結果，透過生化抑制 CREB 過量產生的神經元，抑制了小鼠的恐懼記憶。在此過程中，他們還發現，在任何給定的時刻，具有更多 CREB 的細胞比其鄰居更具電興奮性，這可以解釋它們記錄傳入經驗的準備就緒。“與此同時，我們的實驗室發現了一些全新的東西——細胞成為印跡的一部分存在特定的規則，”Silva 說。
但是，這些型別的記憶抑制研究僅勾勒出了印跡的一半。為了毫無疑問地證明科學家實際上正在研究印跡，他們還必須按需產生記憶。2012 年，麻省理工學院的 Susumu Tonegawa 研究小組報告說，他們建立了一個可以做到這一點的系統。
透過對小鼠的腦細胞進行基因操作，研究人員可以使用光敏蛋白標記放電的神經元。他們的目標是海馬體中的神經元，海馬體是記憶處理的重要區域。在標記系統開啟的情況下，科學家們對動物進行了一系列足部電擊。對電擊做出反應的神經元產生了光反應蛋白，使研究人員能夠挑選出構成記憶的細胞。然後，他們可以使用雷射觸發這些神經元放電，從而喚醒小鼠不愉快的記憶。在一項後續研究中，Tonegawa 的團隊將小鼠放入一個新的籠子中並施加足部電擊，同時重新啟用形成安全籠子印跡的神經元。當小鼠返回安全籠子時，它們因恐懼而僵住，表明恐懼記憶被錯誤地與安全的地方聯絡起來。其他研究小組的工作表明，類似的技術可以用於標記然後阻止給定的記憶。
Silva 說，來自多個研究小組的這項工作彙集了強有力的證據，表明記憶的生理痕跡——或者至少是這種痕跡的關鍵組成部分——可以被精確定位到特定的神經元。儘管如此，海馬體或杏仁核一部分的神經元只是恐懼性足部電擊印跡的一小部分，印跡涉及視覺、嗅覺、聲音和無數其他感覺。“它可能分佈在 10 到 30 個不同的腦區——這只是一個大膽的猜測，”Silva 說。
更廣泛的視角
人類腦成像技術的進步使研究人員能夠放大並觀察構成印跡的全腦活動。最廣泛使用的技術，功能性磁共振成像 (fMRI)，無法分辨單個神經元，而是顯示不同腦區的大塊活動。傳統上，fMRI 一直用於挑選出對各種任務反應最強烈的區域。但近年來，強大的分析揭示了當人們回憶特定經歷時出現的全腦活動的獨特模式或特徵。“這是認知神經科學最重要的革命之一，”賓夕法尼亞大學的神經科學家 Michael Kahana 說。
一種名為多體素模式分析 (MVPA) 的技術的發展催化了這場革命。這種統計方法有時被稱為腦解碼，通常將 fMRI 資料輸入到計算機演算法中，該演算法自動學習與特定想法或經歷相關的神經模式。2005 年，當時還是研究生的 Sean Polyn——現在是範德比爾特大學的神經科學家——幫助領導了一項開創性的研究，首次將 MVPA 應用於人類記憶。在他的實驗中，志願者研究了名人、地點和常見物體的圖片。研究人員使用在此期間收集的 fMRI 資料，訓練了一個計算機程式來識別與研究這些類別中的每一個類別相關的活動模式。
後來，當受試者躺在掃描器中並列出他們能記住的所有專案時，類別特定的神經特徵在每次反應前幾秒鐘重新出現。例如，在說出名人的名字之前，出現了類似名人的活動模式，包括啟用皮層中處理面孔的區域。這是最早的直接證據之一，表明當人們檢索特定記憶時，他們的大腦會重新訪問編碼該資訊時的狀態。“這是一篇非常重要的論文，”Chen 說。“我絕對認為我自己的工作是它的直接後裔。”
此後，Chen 和其他人改進了他們的技術，以越來越精確地解碼記憶。在 Chen 的《神探夏洛克》研究案例中，她的團隊發現，開場劇集 50 個場景中的腦活動模式可以彼此清楚地區分。這些模式非常具體，有時可以區分包含或不包含夏洛克的場景，以及發生在室內或室外的場景。
在海馬體附近和幾個高階處理中心（如後內側皮層）中，研究人員看到，當每個人後來複述劇集時，相同的場景觀看模式展開——即使人們對特定場景的描述不同。他們甚至在從未看過該節目但聽過其他人描述的人身上觀察到類似的腦活動。
“令人驚訝的是，當不同的人記住同一個場景，用他們自己的話描述它，以他們想記住的任何方式記住它時，我們看到了相同的指紋，”Chen 說。結果表明，大腦——即使是在處理記憶、概念和複雜認知的更高階區域——在不同人之間的組織方式可能比預期的更相似。
融合記憶
隨著新技術讓人們得以一窺印跡，研究人員可以開始研究的不僅是個體記憶如何形成，還有記憶如何相互作用以及隨時間推移而變化。
在紐約大學，神經科學家 Lila Davachi 正在使用 MVPA 研究大腦如何對共享重疊內容的記憶進行分類。在 2017 年與當時在她實驗室的研究生 Alexa Tompary 進行的一項研究中，Davachi 向志願者展示了 128 個物體的圖片，每個物體都與四個場景之一配對——例如，海灘場景與馬克杯配對，然後與鍵盤配對；城市景觀與雨傘配對，等等。每個物體只出現一個場景，但許多不同的物體出現在同一個場景中。起初，當志願者將物體與其對應的場景匹配時，每個物體都會引起不同的腦啟用模式。但一週後，在回憶任務期間，與同一場景配對的物體的神經模式變得更加相似。大腦已經根據它們共享的場景資訊重新組織了記憶。“這種聚類可能代表了學習資訊要點的開始，”Davachi 說。
根據德克薩斯大學奧斯汀分校神經科學家 Alison Preston 的研究，聚類相關記憶也可能幫助人們使用先前的知識來學習新事物。在 2012 年的一項研究中，Preston 的研究小組發現，當一些人觀看一對影像（例如籃球和馬），然後看到另一對（例如馬和湖泊）共享一個共同的專案時，他們的大腦會重新啟用與第一對相關的模式。這種重新啟用似乎將這些相關的影像對繫結在一起；在學習期間表現出這種效果的人，更善於識別稍後在兩張從未一起出現的圖片之間（在本例中為籃球和湖泊）的聯絡——隱含但從未見過。“大腦正在建立聯絡，表示超出我們直接觀察的資訊和知識，”Preston 解釋說。這個過程可能有助於許多日常活動，例如透過推斷幾個已知地標之間的空間關係來在不熟悉的環境中導航。能夠連線相關的資訊片段以形成新的想法也可能對創造力或想象未來情景很重要。
在一項後續研究中，Preston 開始探索記憶連結背後的機制，並發現相關記憶可以合併為單一表示，特別是當記憶是在緊密的連續時間內獲得時。在一個引人注目的匯合中，Silva 的工作也發現，小鼠傾向於連結在時間上緊密形成的兩個記憶。2016 年，他的研究小組觀察到，當小鼠學會害怕一個籠子裡的足部電擊時，它們也開始對幾個小時前訪問過的無害籠子表現出恐懼。研究人員表明，編碼一個記憶的神經元在學習後至少五個小時內保持更興奮的狀態，從而創造了一個可能形成部分重疊印跡的視窗。事實上，當他們標記活躍神經元時，Silva 的團隊發現許多細胞參與了兩個籠子的記憶。
這些發現揭示了一些神經生物學機制，這些機制將個體記憶連結成關於世界的更普遍的想法。“我們的記憶不僅僅是資訊的口袋和島嶼，”Josselyn 說。“我們實際上構建概念，並將具有共同線索的事物聯絡在一起。”然而，這種靈活性的代價可能是形成虛假或錯誤的記憶：Silva 的小鼠變得害怕一個無害的籠子，因為它們對它的記憶是在與另一個籠子的恐懼記憶非常接近的時間內形成的。將單一經歷推斷為抽象概念和新想法可能會失去個體記憶的一些細節。當人們檢索個體記憶時，這些記憶可能會變得相互聯絡或混亂。“記憶不是一種穩定的現象，”Preston 說。
研究人員現在想探索特定回憶如何隨時間演變，以及當它們被檢索時，它們可能如何被重塑、扭曲甚至重新創造。並且，憑藉識別和操縱動物個體印跡神經元的能力，科學家們希望加強他們關於細胞如何儲存和提供資訊的理論——這些理論一直難以檢驗。“這些理論既古老又非常直觀，但我們真的不知道它們背後的機制，”Preston 說。特別是，透過精確定位對於給定記憶至關重要的個體神經元，科學家可以更詳細地研究關鍵神經元獲取、檢索和丟失資訊的細胞過程。“我們現在正處於一個黃金時代，”Josselyn 說。“我們擁有所有這些技術來提出一些非常古老的問題。”
本文經許可轉載，最初於 2018 年 1 月 10 日釋出。