大脑深处的时间记忆细胞
作者: mints 编译 / 884次阅读 时间: 2022年4月29日
标签: 海马体 记忆
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大脑中负责记忆海马体

我们的记忆会出错,有时候无法回忆起一件事情发生的具体时间。

心理学家发现,大脑中的时间记忆与人类海马体中发现的时间细胞有关。这项发现能够帮助人们制定一些恢复记忆或增强记忆的策略。

情景记忆的一个不可或缺的特征是我们能够在时间上将体验到的不同元素拼凑成连贯的记忆。海马体内的时间细胞——代表时间信息的神经元——可能在这个过程中发挥关键作用。

法国国家科学研究中心神经科学研究员Leila Reddy及其同事发表在《神经科学杂志》的一项研究[1]揭开了大脑时间细胞功能的神秘面纱,Leila Reddy和她的同事发现,人类的时间细胞会在每项任务期间持续不断的活跃,以便在大脑将不同时刻的经历组织在一起。

该研究证实,时间细胞位于海马体内,海马体是至关重要的记忆处理中心。这些细胞会随着事件的发展而打开,以记录每个经历的时间流。Reddy说:“这些神经元对记忆在大脑中的表征过程发挥着重要的作用。协助我们了解了时间记忆在大脑中的编码机制。”

该项研究的合著者、荷兰神经科学研究所视觉和认知系高级研究员Matthew Self也强调了这些海马时间细胞将经验编码到记忆过程中的重要作用。他说:“当我们调用记忆时,我们不仅能够记住发生在我们身上的事情,还能记住我们在哪里,什么时候发生在我们身上。我们认为,时间细胞可能是(对事件发生时时刻进行)编码的底层基础。”

研究方法

近几十年来,研究人员一直都知道啮齿动物的大脑中存在时间细胞,直到去年年底,德克萨斯大学西南医学中心的研究人员及其同事首次在人脑中发现了它们。为了更好地了解这些细胞,Reddy和她的团队检查了癫痫患者的海马体的活动,他们在这些患者在大脑中植入电极,以评估更有效的治疗方法。受试者同意在手术后参加两个不同的实验。

研究人员通过手术将电极插入患者大脑中的癫痫监测单元(epilepsy monitoring unit, EMU),并且进行了长达两周的监测。Self说。“我们记录了患者在手术后大约一周期间EMU执行任务时的海马神经元活动。”

在第一个实验中,研究人员依次向参与者展示了五到七张不同人物或场景的照片,这些照片按预定顺序重复多次。例如,图像顺序是一朵花,显示1.5秒,然后停顿半秒,然后是另一张图像——例如一只狗。

在展示期间,会随机插入一些图像,这个游离进来的会停止在屏幕上,然后参与者必须决定,在给定的两张图像中,哪一张是接下来要呈现的正确图像,随后继续呈现图像。研究人员发现,在整个序列(60次重复)过程中,无论显示哪张图像,那些对时间敏感的神经元都会在测验之间的特定时刻间隔被激活。

[1]Leila Reddy, Benedikt Zoefel, (2021) Human Hippocampal Neurons Track Moments in a Sequence of Events J. Neurosci.DO  - 10.1523/JNEUROSCI.3157-20.2021

在第二个实验中,研究人员获得了患者大脑在刺激期、刺激间隔期的活动数据。研究人员根据整个神经元群的活动解码了不同的时间时刻——并且发现,人脑中存在时间跟踪神经元。

研究发现

Self说:“我们认为海马体中的时间细胞群表征了几个不同和重叠的时间尺度。这些细胞的活动贯穿整个试验阶段,为活动提供了时间戳。”

然而,他解释说,这些细胞也表征了我们记忆的内容(“什么时候”和“发生了什么”),显然记忆过程非常复杂。Self说:“我们还没有彻底的理解记忆是如何编码的,但整个海马体的活动模式似乎不仅提供了时间戳,又同步提供了体验的内容。”

Self补充说,这些信息可能与表征经验的背景信号结合在一起,但需要进一步研究来理解这一机制。他说:“如果在一件事情开始出现时不对前后背景进行编码,那么就没有用——记忆活动需要四处游走(就像逛超市记住货物的位置一样)。”

这些结果似乎与之前对大鼠的研究相似,该研究表明时间细胞与响应相同刺激的表征的“概念细胞”相同——这些细胞同时编码了一个概念和一个时间。Self说:“大鼠海马体中的时间细胞所处的位置,也是当老鼠在特定位置时做出反应之的细胞所在的位置。海马细胞似乎是多维的,可以在其激活模式中对生活经历的不同方面进行编码。”

研究意义

加州大学圣地亚哥分校神经生物学系主任Stefan Leutgeb说:“这项的研究做出了一些重要贡献。首先,它进一步证实了时间细胞不仅在啮齿动物海马体中很常见,而且可以在人类大脑的海马体中观察到较高的比例。”没有参与这项工作的Leutgeb说:“事实上,与之前的研究相比,本研究中在人体中检测到的时间细胞比例更高。”

这些发现可能解释了为什么一些海马体受损的人可以记住事件,但很难将它们按正确的顺序排列——这对阿尔茨海默氏症和其他神经退行性疾病患者来说是一个问题。奥斯陆大学生理学副教授Jørgen Sugar没有参与这项新研究,他说:“如果能够清楚地了解细胞对记忆功能的贡献,就可以让我们理解为什么记忆功能在某些疾病中丢失,如何治疗这些疾病。”

我们希望清楚地了解细胞对记忆功能的贡献。这将帮助我更能够理解为什么某些疾病会导致记忆丧失,以及如何治疗这些疾病。

首次记录人脑中存在时间细胞的研高级研究员,西南大学神经外科副教授Bradley Lega说:“下一步是开发非侵入性或侵入性方法来调节时间细胞和时间细胞回路的活动。这可能为记忆恢复或增强提供神经调节策略。也可以监控时间细胞的活动,以确定,在使用电脉冲的过程时会发生什么。”

一些科学家认为,这项工作可以帮助开发记忆假体memory prosthetics——一种允许计算机插入或删除放置在大脑中的电极的记忆技术。这就意味着可以操纵记忆,也会导致一些和虚假记忆有关的伦理/道德问题,不过, 这些还远未实现。

这种潜在的技术也可以用于治疗创伤后应激障碍或阿尔茨海默氏症。帮助我们预防记忆障碍疾病。

Jørgen说:“我希望这些工作能够揭示时间细胞在编码和回忆一次独特记忆中的作用。今后,人类会乐观地认为,尽管事件之间存在时间间隔,但这项新兴研究将帮助我们了解我们的大脑如何知道记忆是如何开始和结束的。”

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