直接读取大脑记忆，这或许只是一小步
摘要: 在排除了其它可能性之后，研究团队相信，听皮层与纹状体之间的某些特定神经通路可能就是记录这些条件反射的物质基础，其中神经联接的强度则编码了记忆的内容。如果这种编码方式代表了大脑存储记忆的“通行标准”的话，那么读取大脑记忆或许也并不是一件不可能的任务。
| 在这个时代，恐怕大多数人都不会否认大脑是记忆的存储介质，在大量的科幻乃至魔幻艺术作品中，都有直接从大脑中读取记忆的桥段。可惜时至今日，人们依然对记忆存储之谜一筹莫展，更遑论直接在大脑中读取记忆了。不过最近，在《自然》（Nature）杂志上发表的一项研究成果，或许标志着人类在这条征途上又向前迈进了一步。 大鼠实验：听觉训练如何改变大脑 “我们训练老鼠学会把高频或者低频的声音跟向左或者向右的动作结合起来，并在脑片上找到了不同声音频率信息在纹状体中的分布，以及纹状体控制向左向右运动的区域。”论文的第一作者、冷泉港实验室的熊巧婕（Qiaojie Xiong）博士告诉果壳网科学人。
在电影《哈利·波特与火焰杯》中，邓布利多使用魔法将自己的记忆从大脑中提取并保存了起来，这或许代表了人类的某种古朴愿望吧。 “作为主要的知觉系统之一，听觉系统在认知研究中是个很好的模型系统。当听到向左的指令的时候我们如何知道向左转？是什么结构和通路把耳朵接受的声音信号传递并转化成了相应的动作指令？” 熊巧婕博士向科学人介绍道，“这样的关系并不是与生俱来的，而是通过学习得到的，那么在什么地方存储了这个学到的关系？这是我们这个工作的主导问题。” 为了解决这一问题，熊巧婕和同事以大鼠为实验对象展开了研究。他们为这些聪明的小动物设计了一个很简单的任务：大鼠首先要听一段特定频率的声音，然后决定将头探向左边或者右边小孔，如果他的选择是正确的，就会得到一些水作为奖励（在此之前大鼠已经被限水一段时间了）。譬如说，如果研究人员决定要让大鼠把高频声音和左侧小孔联系起来（高频音左侧任务），那么一旦大鼠听到高频音，他就得把头探向左侧的小孔才能得到水喝，探到右侧小孔就会一无所获；相对地，要是大鼠听到的是低频音，那么大鼠就得从右边的小孔里找水喝。
以高频左侧任务为例的行为实验示意图。高频左侧任务可以让大鼠将高频音和左侧小孔联系起来，而低频右侧任务则使之将低频音和右侧小孔联系起来。 这种任务对大鼠而言简直是小菜一碟。只需训练10次左右，绝大多数大鼠就能以近乎100%的成功率在特定频率的声音响起后探往正确的小孔获取奖励。学业有成之后，这些大鼠也就“飞升”了——研究团队将它们的大脑拿出来，与那些没有经过训练的，或是训练得半生不熟的大鼠的大脑相比较，看看这段时间的训练究竟让它们的大脑产生了怎样的变化。 脑切片研究：突触强度变化反映训练记忆 研究人员们比较关心的是两个分别叫做“听皮层”（auditory cortex）和“纹状体”（striatum）的脑区之间的联系，他们给这两个脑区之间的联系强度起了一个专门的术语，叫做“皮层纹状体可塑性”（corticostriatal plasticity）。“纹状体在认知行为中起着很重要的作用，比如行动选择、集中注意力和强化学习。”熊巧婕博士介绍说，“从解剖学角度看，纹状体接受绝大部分大脑皮层的投射，并通过投射到下游的其它基底核团，直接控制和影响运动。”
接受听皮层信息输入的纹状体位置冠状面图。 她指出，处在知觉信息区域（大脑皮层）和运动信息区域（基底核）之间，纹状体的可塑性很可能是强化学习的机制之一。“所以，我们提出假设，听觉皮层投射到纹状体的神经突触可能在学习中产生了变化，并且这种变化可能记录了学习到的记忆。”熊巧婕说。 那么，这些习得的记忆究竟对大脑造成了什么改变？要回答这个问题，我们首先要知道，大脑和电脑的最大区别就在于大脑是个“活”的东西——如果大脑中有某条线路被运用得特别频繁，那么这条线路就会变得越来越高效，这构成了我们学习记忆的基础。 研究者首先利用光遗传技术和电生理技术，检测了听皮层对纹状体所投射出的神经信号强度，果然发现随着大鼠的训练，从听皮层投向纹状体的某些线路也跟着愈发强化了。比如，那些经历过高频左侧任务历练的大鼠，听皮层中负责处理高频音的区域与纹状体中与向左边决策相关区域之间的神经联结就变得更加强健。而相对地，如果大鼠接受的是其它任务训练，这条线路则没有任何变化。
随着训练，特定的神经投射会得到强化。左图：在训练大鼠将低频刺激与选择右侧联系起来的任务（低频右侧）中，大鼠的神经投射强化过程示意图。右图：通过神经突触强度梯度的方向，研究人员准确判断出全部14个大鼠所受的任务训练记忆。 读取大脑记忆？还早得很在排除了其它可能性之后，研究团队相信，听皮层与纹状体之间的某些特定神经通路可能就是记录这些条件反射的物质基础，其中神经联接的强度则编码了记忆的内容。如果这种编码方式代表了大脑存储记忆的“通行标准”的话，那么读取大脑记忆或许也并不是一件不可能的任务。 “对于其它方面的学习记忆，如果能找到对应的解剖学坐标，读出别人的学习记忆也许是有可能的呢。”熊巧婕说。不过，要下诸如“死后大脑泄露生前秘密”和“读心术成为现实”，实际上还为时尚早。“目前来说，这个（直接读取记忆）还是比较遥远的目标。”熊巧婕强调，“但是可以说我们的发现朝实现这个目标前进了一小步。我们发现的关键在于找到了合适的解剖学坐标。” 必须要承认的一点是，中枢神经系统远比人们之前所想象的要复杂，这项研究实际上是将极其复杂的记忆编码机制抽象成了一个极简的二元选择模型。“我们提出的模型是个简化版，甚至可以说是过于简化版，其中并没有考虑到皮层对异侧纹状体的投射，以及同样传递声音信息的丘脑对纹状体的投射。”熊巧婕对科学人说，“另外，这个模型也没有区分纹状体内不同类型神经细胞的作用。” 在实际的记忆中，很少会存在如本研究中所采用的那种非黑即白的二元参数。无论是声音、决策还是其它构成记忆的种种元素，都是在多个维度上连续变化的复杂变量。我们该如何从大脑中提取出如此纷繁庞杂的信息呢？这还有赖未来的研究加以解答。接下来，熊巧婕和同事将研究学习产生的可塑性变化是否具备神经元特异性，并探讨投射信息与行为决策之间的关系。 |
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