这只 7 天大的斑马鱼幼虫的大脑会发出荧光,这些荧光标记是经过基因工程改造的,以照亮其神经活动。以这种方式修饰的鱼最近被用于记忆形成的研究。
Andrey Andreev、Thai Truong、Scott Fraser;南加州大学平移成像中心
想象一下,当您享用早晨的一碗麦片时,一只蜘蛛从天花板上掉下来,扑通一声掉进了牛奶里。多年后,你仍然无法靠近一碗麦片而不感到厌恶。
研究人员现在已经直接观察到大脑学习这种情绪激动的反应时发生了什么。在 1 月份发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究中,南加州大学的一个团队能够可视化实验室鱼类大脑中形成的记忆,并在显微镜下对它们进行成像,因为它们在美丽的荧光绿色中绽放.从早期的工作中,他们曾期望大脑通过稍微调整其神经结构来编码记忆。相反,研究人员惊讶地发现连接发生了重大变化。
他们所看到的强化了这样一种观点,即记忆是一种复杂的现象,涉及各种编码途径。但它进一步表明,记忆的类型可能对大脑如何选择对其进行编码至关重要——这一结论可能暗示了为什么某些类型的深度条件性创伤反应如此持久,如此难以忘怀。
共同作者、南加州大学的定量生物学家斯科特弗雷泽说:“我们正在研究的可能相当于大脑中的固态驱动器”。他说,虽然大脑以易变、易擦除的形式记录某些类型的记忆,但充满恐惧的记忆可能会被更可靠地存储,这有助于解释为什么多年后,有些人可以回忆起一段记忆,就像重温它一样。
记忆经常在覆盖哺乳动物大脑顶部的皮层和底部的海马体中进行研究。但在更深层次的结构中检查它的频率较低,例如大脑的恐惧调节中心杏仁核。杏仁核特别负责联想记忆,这是一类重要的情感记忆,将不同的事物联系起来——就像你谷物中的蜘蛛一样。虽然这种类型的记忆很常见,但它的形成方式尚不清楚,部分原因是它发生在大脑相对难以接近的区域。
弗雷泽和他的同事看到了一个机会,可以通过使用斑马鱼来绕过这种解剖学限制并更多地了解联想记忆的形成。鱼不像哺乳动物那样有杏仁核,但它们有一个类似的区域,称为大脑皮层,形成联想记忆。大脑皮层更易于研究,弗雷泽解释说:虽然发育中的哺乳动物大脑只是通过变大而生长——“像气球一样膨胀”——但斑马鱼的大脑几乎“像爆米花核一样把自己翻过来,所以那些深部的中心在地表附近,我们可以对它们进行成像。”更重要的是,斑马鱼幼虫是透明的,因此研究人员可以直接观察它们的大脑。
神经科学家普遍认为,大脑通过修改其突触——神经元相遇的微小连接点——来形成记忆。但大多数人认为,这主要是通过调整连接的强度,或者一个神经元刺激下一个神经元的强度来实现的,弗雷泽说。
因此,为了使这一过程可见,弗雷泽和他的团队对斑马鱼进行了基因工程改造,以产生神经元,其突触上结合了荧光蛋白标记。这种标记蛋白是在南加州大学生物科学和生物工程教授唐·阿诺德的实验室中创建的,在定制显微镜的微弱激光下发出荧光:挑战在于“能够在某事发生时窃听, ”但尽可能少用光以避免烧焦这些生物,弗雷泽说。然后,研究人员不仅可以看到单个突触的位置,还可以看到它们的强度——光线越亮,连接越强。
南加州大学的定量生物学家斯科特弗雷泽和他的同事研究了斑马鱼大脑中令人不快的联想记忆的形成。
由斯科特弗雷泽提供
为了引起记忆,弗雷泽和他的团队让斑马鱼幼虫将光与不舒服的加热联系起来,就像 19 世纪的俄罗斯生理学家伊万·巴甫洛夫让他的狗在听到声音时流口水以期待食物一样。钟。斑马鱼幼虫学会了在看到光线时试图游走。 (在实验中,幼虫的头部固定不动,但它们的尾巴可以自由摆动,作为学习行为的指标。)研究人员对鱼学习前后的大脑皮层进行了成像,并分析了突触强度和位置的变化。
与预期相反,无论鱼是否学到任何东西,大脑皮层的突触强度都保持不变。相反,在学习的鱼中,突触从大脑皮层的某些区域被修剪——产生了“就像切割盆景树一样的效果,”弗雷泽说——并重新种植在其他区域。
以前的研究有时表明,记忆可以通过突触的添加和删除来形成——但这种大脑的实时和大规模可视化表明,这种记忆形成的方法可能比研究人员意识到的要重要得多。没有参与这项研究的都柏林三一学院的神经科学家Tomás Ryan说,虽然这不是明确的证据,但“我认为它提供了令人信服的证据”,表明这可能是大脑形成记忆的主要方式。
为了使他们的新研究结果与他们对记忆形成的最初预期相协调,弗雷泽、阿诺德和他们的团队假设记忆的类型可能会指导大脑如何选择对其进行编码。弗雷泽说,这些“我们看过的相关事件可能是最强烈的记忆”。对于鱼来说,它们是生死攸关的,所以“你可能会以一种非常强大的方式编码这些强烈的记忆,这并不奇怪。”
但适合锁定充满恐惧的记忆的方法可能不适用于更平凡的记忆。弗雷泽说,在学习发音某人的名字时,你可能“不想从大脑中拉出突触并添加新的突触”。
弗雷泽和他的团队希望这个模型最终可以帮助他们检查引发创伤后应激障碍的记忆中涉及的机制,甚至可能导致缓解这种情况的潜在策略。
但新西兰奥塔哥大学心理学教授克利夫亚伯拉罕说,这些发现可能更多地与斑马鱼的年龄有关,而不是与形成的记忆类型有关。他也没有参与这项研究。 “我们知道,由于大脑不同部位发育过程中的经验,有很多修剪和突触重组,”亚伯拉罕说。如果研究人员观察成年斑马鱼——这更难做到,因为它们不那么透明并且有更大的大脑——他们可能会得到不同的结果。
他补充说,这篇论文是“技术性的杰作”,但这只是记忆如何形成的一部分,还有许多未解决的问题,例如斑马鱼的记忆和突触变化会持续多久.
研究人员希望看看这些发现是否能转化为大脑更大的动物甚至哺乳动物,并检查这些斑马鱼和其他动物如何形成情绪较少或创伤较小的记忆。
“我认为每个人都认为大脑可以通过多种方式存储记忆,”弗雷泽说。 “它的美妙之处在于,我敢打赌他们都是对的。问题将是:这一切如何协同工作?
来源: https://www.quantamagazine.org/scientists-watch-a-memory-form-in-a-living-brain-20220303/