来源:神经生物学

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根据一项创新的脑域映射研究,单一的记忆被存储在许多连接的大脑区域。

创新的脑成像研究表明,“记忆印记”,编码记忆的神经元集合,广泛分布,包括在以前没有意识到的区域。

麻省理工学院皮考尔学习和记忆研究所的一项新研究提供了迄今为止最广泛和最严格的证据,证明哺乳动物的大脑保留了单一的记忆,它是在一个广泛分布的、功能完整的复杂的大脑区域中保存的,而不是在一个或几个位置。

记忆研究的先驱Richard Semon早在一个多世纪前就预言了这种“统一的记忆复合物”,但要实现这项新研究对他的假设的确认,需要应用多种新开发的技术。在这项研究中,研究人员发现了几十个以前不为人知的记忆相关区域,并对其进行了排名,表明当多个记忆存储区域被重新激活时,回忆记忆的行为能力会变得更强。

“当谈到记忆存储时,我们通常都在谈论海马体或大脑皮层,”共同领导和共同通信作者迪拉杰·罗伊说。他在理研-麻省理工学院皮考尔研究所神经回路遗传学实验室读研究生时就开始了这项研究,领导这项研究的是生物、大脑和认知科学系皮考尔教授、资深作者Susumu Tonegawa。“这项研究反映了对记忆编码细胞或记忆‘印记’的最全面的描述,这些细胞分布在整个大脑,而不仅仅是众所周知的记忆区域。它基本上为高概率记忆图区域提供了第一个排序列表。这个列表应该会引导我们进行许多未来的研究,这是我们的实验室和其他团队都感到兴奋的。”

内存映射

研究小组对小鼠的247个大脑区域进行了公正的分析,从而绘制出了参与记忆复本的区域。这些小鼠从家中的笼子被带到另一个笼子,在那里它们感到了一个小但难忘的电刺激。在一组小鼠中,当它们表达记忆编码所需的基因时,它们的神经元被设计成荧光的。在另一组中,通过自然回忆电击记忆激活的细胞(例如,当小鼠回到电击现场时)被荧光标记代替。因此,通过记忆编码或回忆激活的细胞可以很容易地在显微镜下看到,在大脑被保存下来后,使用一种名为SHIELD的技术进行光学清理,该技术由共同通信作者、皮科尔研究所副教授Kwanghun Chung开发。医学工程与科学研究所和化学工程系。通过使用计算机来计数每个样本中的荧光细胞,研究小组绘制出了具有明显显著的记忆编码或回忆活动区域的脑范围地图。

这些地图突出了许多预计会参与记忆的区域,但也有许多没有。为了帮助排除那些可能被与zap记忆无关的活动激活的区域,研究小组将他们在zap编码或回忆小鼠的大脑中所看到的与他们在对照组中所看到的进行了比较,对照组只被留在家里的笼子里。这使得他们能够计算出“记忆印记指数”,对117个大脑区域进行排序,这些区域极有可能参与记忆印记复合物。他们深化了分析,设计了新的小鼠,其中参与记忆编码和回忆的神经元可以被双重标记,从而揭示哪些细胞表现出了这些活动的重叠。

作者指出,要真正成为记忆印记细胞,神经元应该在编码和回忆过程中同时被激活。

作者写道:“这些实验不仅揭示了已知的海马和杏仁核区域的显著记忆印迹的激活,而且还显示了许多丘脑、皮层、中脑和脑干结构的激活。重要的是,当我们将记忆印记指数分析确定的大脑区域与这些重新激活的区域进行比较时,我们观察到,分析之间约60%的区域是一致的。”

内存操作

在对极有可能参与记忆拼图的区域进行了排名之后,研究小组进行了几次操作,直接测试他们的预测,并确定记忆拼图的复杂区域是如何协同工作的。

例如,他们设计了小鼠,使记忆编码激活的细胞也可以通过闪光来控制(一种称为“光遗传学”的技术)。然后,研究人员利用闪光从记忆印记索引列表中选择大脑区域,看看刺激这些区域是否会人为地重现原地冻结的恐惧记忆行为,即使小鼠被放在一个“中立”的笼子里,而电击并没有发生。

研究人员观察到:“引人注目的是,当光基因刺激时,所有这些大脑区域都能产生强大的记忆回忆。”此外,他们的分析表明,刺激区域对破坏记忆无关紧要,但确实没有产生冻结行为。

然后,该团队展示了复杂印迹中的不同区域是如何连接的。他们选择了两个众所周知的记忆区域,海马体的CA1和基底外侧杏仁核(BLA),在一个中性笼子中,光遗传学激活记忆印迹细胞来诱导记忆回忆行为。他们发现,刺激这些区域会在特定的“下游”区域产生回忆活动,这些区域被确定为记忆印记复合体的可能成员。与此同时,光遗传学抑制CA1或BLA中的自然快速记忆回忆(即,当小鼠被放回笼子中,它们经历了快速记忆)导致下游记忆复杂区域的活动减少,这与他们在无阻碍的自然回忆小鼠中测量的情况相比。

进一步的实验表明,记忆印迹复合体神经元的光遗传再激活遵循与自然记忆回忆中观察到的模式相似的模式。因此,在确定了自然记忆编码和回忆似乎发生在广泛的记忆复合体上之后,研究小组决定测试,与只激活一个区域相比,重新激活多个区域是否会提高记忆回忆。毕竟,之前的实验已经表明,仅仅激活一个记忆印记区域并不能像自然记忆那样生动地产生回忆。这一次,研究小组使用化学方法刺激不同的记忆复杂区域,当他们这样做时,他们发现确实同时刺激多达三个相关区域比只刺激一个或两个区域产生更强烈的冻结行为。

分布式存储的意义

通过在如此广泛的复杂性中存储单一的记忆,大脑可能会使记忆更有效和更有弹性。

“当我们试图记住之前的事件时,不同的记忆印记可能会让我们更有效地重建记忆(在最初的编码中也是如此,不同的记忆印记可能会提供来自原始体验的不同信息)。其次,在疾病状态下,如果一些区域受损,分布式记忆将让我们记住之前的事件,在某种程度上,更能抵御区域损伤。”

从长远来看,第二个想法可能会为处理记忆障碍提供一种临床策略:“如果一些记忆障碍是由海马或皮质功能障碍引起的,那么我们是否可以针对其他区域研究不足的记忆印迹细胞,这样的操作是否可以恢复一些记忆功能?”

这只是研究人员可以提出的许多新问题之一,因为这项研究已经揭示了在哺乳动物大脑中寻找至少一种记忆的列表。

参考文献

“Brain-wide mapping reveals that engrams for a single memory are distributed across multiple brain regions” by Dheeraj S. Roy, Young-Gyun Park, Minyoung E. Kim, Ying Zhang, Sachie K. Ogawa, Nicholas DiNapoli, Xinyi Gu, Jae H. Cho, Heejin Choi, Lee Kamentsky, Jared Martin, Olivia Mosto, Tomomi Aida, Kwanghun Chung and Susumu Tonegawa, 4 April 2022, Nature Communications.

原文:https://smart.blogchina.com/761156773.html

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