神经科学家揭示大脑如何决定要记住什么

神经科学家已经确定，在睡眠期间，一些日常经历会通过大脑促进的过程转化为永久记忆。纽约大学格罗斯曼医学院(NYU Grossman School of Medicine)最近领导的一项研究发现，海马体中的“尖波涟漪”是选择永久保留哪些记忆的关键机制。这些涟漪发生在空闲时刻，并在决定哪些经历(紧随其后的多重涟漪)在睡眠期间巩固为持久记忆方面起着至关重要的作用。

　　

最近的研究发现，海马体中的“尖波涟漪”是一种大脑机制，它决定了哪些日常经历成为永久记忆，空闲时刻的明显涟漪会导致睡眠期间的记忆巩固。

在过去的几十年里，神经科学家发现，大脑会在当晚睡觉时将一些日常经历转化为持久的记忆。最近的一项研究介绍了一种机制，该机制决定了哪些记忆足够重要，可以保存在大脑中，直到睡眠将它们永久固化。

由纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员领导的这项研究围绕着被称为神经元的脑细胞展开，这些神经元“放电”——或引起正负电荷平衡的波动——以传递编码记忆的电信号。大脑海马区的大量神经元以有节奏的周期一起放电，在几毫秒内产生一系列信号，这些信号可以编码复杂的信息。

这些对大脑其他部分的“喊叫声”被称为“尖波涟漪”，代表了15%的海马神经元几乎同时放电，它们的活动被电极捕捉并记录在图表上时呈现的形状。

虽然过去的研究将涟漪与睡眠期间的记忆形成联系起来，但最近发表在《科学》(Science)杂志上的这项新研究发现，白天发生的事情之后，会立即出现5到20个尖锐的涟漪，这些涟漪在睡眠中会被重复播放，因此被巩固为永久的记忆。事件发生后很少或根本没有尖锐的涟漪，无法形成持久的记忆。

“我们的研究发现，剧烈的波浪涟漪是大脑用来‘决定’保留和丢弃什么的生理机制，”资深研究作者György Buzsáki说，他是纽约大学朗格尼健康中心神经科学和生理学系的比格斯神经科学教授。

行走和暂停

这项新研究基于一种已知的模式:包括人类在内的哺乳动物体验世界一会儿，然后暂停，然后再体验一会儿，然后再次暂停。该研究的作者说，当我们注意到某件事时，大脑计算通常会切换到“空闲”的重新评估模式。这种短暂的停顿在一天中都会发生，但最长的空闲时间发生在睡眠期间。

Buzsaki和他的同事们之前已经证实，当我们积极探索感官信息或移动时，不会出现剧烈的涟漪，而只会在之前或之后的空闲暂停期间发生。目前的研究发现，在清醒经历后的这种停顿中，尖锐的波纹代表了自然的标记机制，在任务后睡眠中，被标记的神经元模式被重新激活。

重要的是，我们知道，尖锐的波浪波纹是由海马“位置细胞”的放电构成的，这些细胞以特定的顺序编码着我们进入的每个房间，以及鼠进入迷宫的每一个分支。对于被记住的记忆，这些相同的细胞在我们睡觉时高速激活，“每晚回放记录的事件数千次。”这个过程加强了相关细胞之间的联系。

在目前的研究中，尽管记录的经历非常相似，但海马细胞群会随着时间的推移不断变化，通过电极跟踪研究小鼠连续走迷宫的情况。这项研究首次揭示了迷宫运行过程中，涟漪在清醒时出现，然后在睡眠时重现。

当鼠在每次跑完迷宫后停下来享受甜食时，通常会记录到尖锐的波纹。作者说，奖励的消耗使大脑从探索模式切换到空闲模式，这样就会出现剧烈的涟漪。

利用双面硅探针，研究小组能够同时记录迷宫中动物海马体内多达500个神经元的活动。这反过来又带来了挑战，因为独立记录的神经元越多，数据就会变得极其复杂。为了获得对数据的直观理解，可视化神经元活动，并形成假设，该团队成功地减少了数据中的维度数量，以某种方式将三维图像转换为平面图像，同时不丢失数据的完整性。

“我们努力将外部世界从等式中剔除，并研究哺乳动物大脑天生和潜意识地将一些记忆标记为永久记忆的机制，”第一作者、Buzsáki实验室的研究生杨 Wannan (Winnie) Yang博士说。“为什么这样的系统进化仍然是一个谜，但未来的研究可能会揭示一些设备或疗法，可以调整尖锐的波纹来改善记忆，甚至减少对创伤事件的回忆。”

参考文献:“Selection of experience for memory by hippocampal sharp wave ripples” by Wannan Yang, Chen Sun, Roman Huszár, Thomas Hainmueller, Kirill Kiselev and György Buzsáki, 28 March 2024, Science.