你的大脑在形成记忆时会发生什么？

这个故事刊登在2020年7月/8月号，题为“让我们创造一些记忆”。订阅《发现》杂志，阅读更多此类故事。

也许是你第一次骑自行车时模糊的快照。或者背诵勾股定理的能力。也可能只是你在纸巾上潦草写下的电话号码，然后它就被扔进了垃圾桶。

无论它们以何种形式出现，我们的记忆都帮助定义了我们是谁——以及作为人类意味着什么。虽然学者们自苏格拉底时代起就开始思考记忆，但新技术帮助今天的科学家们更多地了解了我们回忆背后的神经和生物机制。这些突破导致了我们记忆存在于特定脑细胞群中的发现。一些科学家正在探索人们在虚拟现实环境中如何存储和检索记忆。另一些人则在研究恐惧等情绪如何在大脑中编码，以及控制我们恐惧的回路。

这项研究也不是空洞抽象的。这些项目旨在应用于现实世界，包括可能治疗阿尔茨海默病和创伤后应激障碍等疾病的方法。

尽管记忆科学仍有很多模糊之处，但我们的大脑究竟如何形成记忆这一问题正变得越来越清晰。

长短记忆

人类记忆的概念并非指某一种事物。这个词涵盖了一系列的回忆，从颜色的名称到半记半忘的歌词，再到你的第一次分手。那么，这些不同类型的记忆是什么呢？

一个多世纪前，科学家将记忆分为短期记忆和长期记忆。短期记忆，有时也称为工作记忆，指的是我们记住最近过去的信息或事件的能力——但只能持续大约20秒，有时甚至更短。换句话说，它是你在执行其他任务时主动记住的东西——例如，在你滚动查找联系人列表以输入电话号码时记住它。

在20世纪90年代，科学家分析了高分辨率脑部扫描，发现这些短暂的记忆依赖于前额叶皮层中的神经元放电，前额叶皮层是大脑前部负责高级思维的部分。

“它们是暂时的（记忆），”神经科学家兼作家迪恩·伯内特说。“它们不是为了长期储存而存在的，因为它们不断变化，不断波动。”

“如果你在大脑中保持某样东西足够长的时间，你就可以把它变成长期记忆，”他补充道。“这就是为什么，如果你背诵像电话号码这样的东西，你最终可以很容易地记住它。但如果太多东西不断涌入，你的短期记忆就会超载，最先（进入的信息）就会被踢出。”

相比之下，长期记忆是我们在一生中积累的知识和过去事件的宝库。虽然短期记忆是由神经活动的一瞬间支持的，但长期记忆实际上在大脑中形成了物理存在。当长期记忆形成时，神经元之间的连接，即突触，会得到加强。在某些情况下，会完全产生新的突触。我们回顾记忆的次数越多，激活这些神经通路的次数越多，连接就会越牢固——就像在树林中反复踩踏，形成一条清晰的小径。

长期记忆也可以采取几种不同的形式。例如，内隐记忆是系鞋带或刷牙等自动行为的基础。这些本能的动作发生在大脑的无意识部分。“这就是为什么失忆症患者仍然可以做这些事情，即使他们不记得以前做过这些事情，”伯内特说。“训练会生效。”

然而，我们主动意识到的长期记忆被称为外显记忆。这些记忆分为情景记忆和语义记忆。后者描述了具体的概念知识，例如《独立宣言》签署的日期。情景记忆描述了你生活中的事件和经历。从你的21岁生日派对到你的欧洲之旅，都属于这一类别。

“语义记忆是知道巴黎是法国的首都，”伯内特说。“情景记忆是记得我那次去法国并在埃菲尔铁塔上吐了。”

点亮前路

我们人生中的所作所为都会留下印记，深埋在我们的记忆中。就像马塞尔·普鲁斯特咬下他钟爱的玛德琳蛋糕，引发童年时期一度被遗忘的记忆洪水般涌来一样，记忆痕迹可以唤起对过去事物生动的感官体验。自古希腊时代以来，学者们就推测这些残余物甚至可能改变大脑的物理结构。但直到20世纪初，这种过程的科学模型才开始出现。1904年，一位名叫理查德·西蒙的德国科学家提出，这些痕迹，他称之为记忆印迹，在事件或经历之后表现为大脑中的物理变化。“当时，没有技术能够识别承载特定记忆的特定脑细胞，”麻省理工学院生物学和神经科学教授、1987年诺贝尔生理学或医学奖获得者利根川进说。

一百多年过去了。然后，在2005年，科学家们开始使用光遗传学技术，这是一种刺激经过基因改造以响应蓝色光脉冲的神经元的技术。有了这项新技术，就有可能定位和识别动物体内携带记忆印迹的特定神经元。在2012年的一项《自然》研究中，利根川进和麻省理工学院以及斯坦福大学的研究人员使用光遗传学证明，我们的记忆痕迹确实存在于特定的脑细胞群中。除此之外，仅仅激活其中几个神经元就可以唤起整个记忆。

在该论文中，研究团队描述了他们如何在大脑中参与长期记忆形成的海马体中识别出一组特定的神经元，这些神经元在特定条件下开始放电。在这种情况下，研究人员通过让小鼠探索一个陌生的笼子来做到这一点。“然后你给（小鼠）脚垫施加轻微的电击，”利根川进说。“小鼠会立即形成这个笼子是一个可怕的地方的记忆。”利根川进说，第二天，当小鼠被放置在没有受到电击的笼子中时，这种条件反射导致它们害怕那个环境。研究人员随后给啮齿动物注射了一种蛋白质，这种蛋白质可以通过蓝色闪光激活脑细胞——特别是科学家们正在研究的海马体中的神经元。“这些蛋白质具有在特定波长光线照射下激活细胞的化学特性，”利根川进补充道。

然后，当科学家们在完全不同的环境中用光脉冲照射小鼠时，他们用蛋白质标记的海马体神经元开始活动——小鼠僵在原地。研究人员认为这些动物正在精神上闪回被电击的经历。“这就是实验的逻辑，”利根川进说。“你可以判断这些昨天被标记的神经元现在携带着那些记忆印迹。”换句话说，即使笼子的记忆是通过人工手段刺激的，小鼠仍然记住了它，这表明事件的痕迹存在于精确的脑细胞群中。“你可以真正识别那些携带记忆印迹的神经元，并用染料标记它们，这样你就可以在显微镜下看到它们，”利根川进说。“现在，你可以专门用光遗传学操纵这些细胞，看看它会产生什么样的影响。”

利根川进希望利用这项技术更多地了解阿尔茨海默病背后的生物学机制，并可能在早期阶段治疗这种疾病。他说，在几项人体研究中，甚至在脑部疾病开始攻击海马体之前，一些患者就已经难以形成新记忆。“（大脑）看起来正常，但他们实际上表现出损伤，”他补充说。

现在，利根川进想看看这种疾病形成阶段的认知障碍是源于无法形成新记忆，还是患者可以形成新记忆但无法检索。他指出，对阿尔茨海默病小鼠模型早期阶段的研究表明，这些记忆仍然形成并留下物理痕迹，但无法通过自然线索回忆起来。但利根川进说，当科学家使用光遗传学等人工方法重新激活携带记忆印迹的细胞时，这些动物能够完美地记住新体验。

“只有利用这项技术，才有可能发现这样的事情，”他补充道。“它确实允许我们调查学习和记忆过程中发生的一切。”

虚拟世界，真实记忆

在过去的几十年里，也有更多的研究人员在他们的研究中使用了虚拟现实技术。近年来，加州大学洛杉矶分校的神经科学家南提娅·苏塔纳（Nanthia Suthana）成为首批使用虚拟现实技术研究人们在模拟环境中导航时大脑如何存储和回忆记忆的研究人员之一。

“从历史上看，绝大多数（记忆研究）都是通过大鼠和小鼠在迷宫中奔跑完成的，”苏塔纳说。“我们对大脑的大部分了解都来自于这些研究。为了将这些研究转化为人类，并观察它们是否真的适用于人类，我们需要一些东西来连接两者。”

在目前正在同行评审的两项研究中，苏塔纳和她的同事与植入了治疗癫痫发作的深部脑植入物的患者合作。研究人员让患者戴上虚拟现实头盔，患者的永久植入物使科学家能够在实验过程中记录脑电波。一旦参与者戴上护目镜和点缀着反光点的动作捕捉紧身衣以跟踪他们的动作，他们便在模拟环境中进行了一系列关于学习、记忆和导航的测试。

在虚拟环境中，患者被要求走向数字黄色圆柱体并记住每个圆柱体的位置。为了证明他们的记忆，参与者被要求重复他们到每个圆柱体的路径——现在是隐形的——并在他们认为自己到达每个圆柱体时按下操纵杆按钮。研究人员随后下载了患者脑电波的记录，分析它们以查看与空间和位置记忆相关的神经活动。

具体来说，科学家们正在关注大脑中被称为theta振荡的电信号，这种信号在人类运动过程中已被识别。研究团队发现，这些脑电波在导航任务中更为活跃，这表明它们是空间记忆的关键组成部分。科学家们推测，这些脑电波可能有助于我们在世界中移动时可视化和重建我们的记忆。

苏塔纳对记忆的脆弱性并不陌生。在儿子出生后，她经历了一段短暂的失忆期，无法记住整整十年。“我以为我又是研究生了，”她说。“那真是一种非常可怕和令人困惑的经历。”最终，她希望像她这样的研究能够帮助科学家恢复因创伤和阿尔茨海默病等神经系统疾病而失去的记忆。

“大脑的语言是电信号，”她说。“所以如果我们能够通过电信号与大脑沟通，也许我们可以在出现问题时促进其功能。”

战胜恐惧

花一秒钟想想你害怕什么。可能是蜘蛛。或者是车祸的威胁。也可能简单到下个月没钱付房租。对我们很多人来说，这些恐惧都与过去的经历记忆相关联。

当我们形成关于发生在我们身上的事情的情景记忆时，大脑的三个区域会被激活：海马体、大脑皮层和杏仁核。海马体从我们的记忆中获取信息，并将其物理编码到神经元之间的连接中。随后，这些数据有时会传输到大脑皮层——构成大脑外层的薄组织——进行长期存储。但正是杏仁核，一个杏仁状的脑实质团块，将恐惧等情绪注入我们的记忆中。

“如果一个经历有强烈的情感成分，杏仁核就会将其注入新形成的记忆中，”伯内特说。“如果一个人的杏仁核活跃，他们就会学会害怕事物。”

近年来，科学家们对我们大脑中调节我们对恐惧记忆反应的硬件有了很多了解。在澳大利亚昆士兰脑研究所，研究人员正在记录小鼠大脑这三个区域之间放电的电活动，因为它们被条件化以害怕某种感觉或噪音。

“你取一个中性刺激，比如一个音调或一道光，然后你给动物一个厌恶刺激，比如电击脚或巨大的噪音，”该研究所所长、神经科学家潘卡·萨说。“动物很快就会学会这种无害的刺激将预示着这种厌恶刺激。然后它会形成这种记忆。”

“如果你今天对大鼠这样做三四次，一年后回来再次呈现相同的音调，那只动物就会记住那个音调是可怕的，并做出适当的反应，”他补充道。“你也可以对人类做同样的事情。”

这种条件反射也可以被利用来做好事。如果小鼠反复听到相同的音调，但没有受到电击，那么这种噪音将不再导致动物因恐惧而僵住。最终，通过一种称为消退学习的过程，记忆的痛苦会逐渐消退。这个过程是治疗创伤后应激障碍等疾病患者的行为疗法的关键。但尽管这些技术有效，消退训练并不能抹去创伤记忆——它只是削弱了它们的一些力量。如果某些事物在新的情境下提醒某人最初的创伤记忆，即使在消退之后，它也可能再次巩固，重新形成触发因素和反应之间的联系。“注射海洛因的人可以学会不这样做，”萨说。“但当情境改变，或者环境中发生了一些事情，不再是一个安全的地方时，所有这些记忆都会回来。”

萨认为，对某些创伤记忆在治疗后为何复发有更清晰的理解，可能会带来更好的创伤后应激障碍和成瘾等疾病的治疗方法。在2018年的一项《自然神经科学》研究中，萨和他的同事们在大鼠身上使用光遗传学技术，识别了大脑中控制创伤记忆复发的回路。萨说，通过了解这些机制，有可能开发出新的药物来预防复发。“我们正在寻找一种更具体的（化学）化合物，”他继续说道。“这就是治疗这些疾病的方法：了解它们背后的回路和涉及的受体。”

萨说，由于新技术浪潮的推动，这些进展可能有一天会帮助科学家像我们使用药物控制心脏病一样治疗记忆障碍。“整个大脑研究现在正在经历一场革命，”他补充道。“现在真是投身神经科学的好时机。”

Alex Orlando是《发现》杂志的助理编辑。