在小鼠海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)了編碼驚嚇情景經(jīng)歷的神經(jīng)編碼單元。
這些編碼單元通過它們的激活狀態(tài)可以把任何一種驚嚇經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成一串二進(jìn)制數(shù)字,。
這種數(shù)字化的編碼形式,，使得科學(xué)家們能夠?qū)Σ煌膫€(gè)體乃至不同種群動物的大腦編碼活動進(jìn)行直接的比較和分析。
一陣?yán)滹L(fēng)吹過,，“咔喳,、咔喳——”
屏幕上的腦電波，突然偏離了穩(wěn)定的行走路線,，沖動了起來,，就像零落奔跑的腳步聲，向?qū)嶒?yàn)室襲來,。
這不是什么懸疑電影的場景,，而是一只灰色的小老鼠“回憶”的聲音。
這個(gè)聲音讓41歲的林龍年——這位華東師范大學(xué)腦功能基因組學(xué)研究所副教授著迷,。如果恰巧你就在身邊,，他會告訴你，這是小鼠受到刺激之后,，我們觀測到的腦電波,，此時(shí)此刻在小鼠大腦里真實(shí)發(fā)生的是一場電波亂竄的情景，宛如宇宙中無數(shù)的流星無序地對接,，產(chǎn)生耀眼的光芒,。
這一切和人腦的記憶很相似，當(dāng)我們遇到終生難忘的事情,，我們的大腦就是這樣把電閃雷鳴般的記憶變成烙印,。
我們究竟是怎么記住紛繁復(fù)雜的世界,？我們把所有的記憶存放在大腦的哪里？我們又是怎樣存放的,？是不是像福爾摩斯所說,，人類的記憶就像一個(gè)閣樓，多裝一些有益的就要清除一些無用的,？
2005年4月12日,，林龍年與美國波士頓大學(xué)錢卓教授在世界上首次發(fā)現(xiàn)大腦記憶的編碼單元與大腦密碼的解讀方法。美國科學(xué)院院士,、著名神經(jīng)學(xué)家Tom Sudhof教授評價(jià)說：“肯定會對神經(jīng)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,。”
林龍年對大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的基本運(yùn)作規(guī)則的探索，就是解答大腦怎樣來儲存信息,，又是怎樣通過記憶加工的方法對信息進(jìn)行處理,，就和電腦的編程一樣。研究大腦神經(jīng)元在網(wǎng)絡(luò)層次上的編碼,，將一步步展示出人類大腦是如何進(jìn)行記憶的,。
“海馬”掌握記憶秘匙
現(xiàn)今科學(xué)家的研究表明，記憶不是一種分子,，并非這個(gè)分子代表了一個(gè)人臉,，或者鼻子，不管是DNA,、RNA,，蛋白質(zhì)都不可能代表一種記憶。記憶在腦內(nèi)到底是怎樣一種藏法呢,？大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為記憶存儲在大腦神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)上,。
大腦的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的，人腦由140億個(gè)神經(jīng)元組成,，據(jù)說比銀河系所有星星的數(shù)量還多,，更復(fù)雜的是每個(gè)神經(jīng)元與神經(jīng)元之間都有連接，在140億個(gè)神經(jīng)元的每個(gè)上面又有幾萬個(gè)連接,，這就形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),。
在與記憶密切相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)中，“海馬”(因其形似海馬而得名)發(fā)揮著舉足輕重的作用,，它負(fù)責(zé)將人們新的經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為長期的記憶,。
海馬對記憶的重要作用早在1957年就被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了。當(dāng)時(shí)有個(gè)病人叫H·Ｍ,，年幼時(shí)摔了一跤后患上癲癇,，27歲的時(shí)候必須要做切除手術(shù)。癲癇就是正常神經(jīng)元的“發(fā)瘋”，過量地放電,，這個(gè)病人的癲癇正好在“海馬”區(qū)域，只要把這塊發(fā)病細(xì)胞拿掉就可以治愈癲癇,。但這個(gè)病人的雙側(cè)海馬都有問題,，所以把他的雙側(cè)海馬都拿掉了。醫(yī)生發(fā)現(xiàn)每次回來復(fù)診的時(shí)候,，H·Ｍ都會向醫(yī)生重新作自我介紹,，就讓醫(yī)生覺得奇怪。結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的分析以后,，發(fā)現(xiàn)H·Ｍ的長時(shí)記憶都沒有問題,，暫時(shí)記憶都很好，只是不能把新的暫時(shí)記憶變成長時(shí)記憶,。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于告訴所有研究記憶的科學(xué)家,，“海馬”是多么神秘的地帶。
1999年,，錢卓和其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正是通過調(diào)節(jié)小鼠的海馬和前腦中的NR2B基因,，在美國普林斯頓大學(xué)制造了著名的“聰明鼠”，揭示了學(xué)習(xí)與記憶過程中的重要分子機(jī)制,。
但是究竟什么是記憶,，聰明鼠究竟如何儲存信息，形成記憶,，并且在此后提取自己的記憶并且表達(dá)信息,，這成為研究組一直思考的問題。
神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動軌跡
2002年,，林龍年決定通過了解小鼠在環(huán)境中遇到強(qiáng)烈刺激時(shí)大腦皮層神經(jīng)元的反應(yīng),，來測試小鼠大腦中海馬區(qū)究竟如何形成記憶，并在此后提取這一記憶,。
海馬腦區(qū)是小鼠大腦中掌管學(xué)習(xí)和記憶的最主要的區(qū)域,，只有半粒米大小，在它的CA1細(xì)胞層大約有緊密排列著20到30萬個(gè)神經(jīng)元,，每個(gè)神經(jīng)元之間還會形成不同形式的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),。同時(shí)海馬區(qū)又是所有動物的大腦中都存在的，并且有著相似的結(jié)構(gòu),，承擔(dān)同一功能,。
“我們猜想，大腦中會有許多神元參與這些記憶的編碼,，所以我們想通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和最新的技術(shù)相結(jié)合,，來探索大腦中記憶編碼的奧秘。”林龍年說,。
多通道在體記錄技術(shù)的出現(xiàn),，使得林龍年和他的同事們研究成為可能,。
這種技術(shù)在時(shí)間和空間的分辨率都很高：在時(shí)間上可以縮短到毫秒級，這個(gè)正是神經(jīng)元細(xì)胞單位運(yùn)動的時(shí)間,；空間上可以針對單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞,，一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞的直徑是20微米左右。林龍年動手研制了世界上最輕巧的96-通道微電極驅(qū)動裝置,，將96根比頭發(fā)還細(xì)得多的微電極懸浮于要研究的小鼠腦細(xì)胞之上,，可以避免將小鼠所有腦細(xì)胞殺死，同時(shí)觀察到小鼠海馬區(qū)260個(gè)神經(jīng)元組成網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動情況,。而過去記錄小鼠神經(jīng)元活動的最高紀(jì)錄是40多個(gè),，電極個(gè)數(shù)的最高紀(jì)錄也只有10多個(gè)。
小鼠頭上插著一個(gè)96-通道微電極驅(qū)動裝置推進(jìn)器,，這是監(jiān)控它大腦活動的“探頭”,。為了幫小鼠“減負(fù)”，科學(xué)家在這個(gè)推進(jìn)器上方系了一個(gè)老虎形狀的大氣球,，免得壓得小鼠抬不起頭來,。這只小鼠正在自己的“窩”里玩玩具——幾個(gè)木制的汽車、娃娃,。從顯示器上看,，它的大腦神經(jīng)元活動很平靜，“咔嗒咔嗒”的神經(jīng)元活動聲也很均勻,。
林龍年設(shè)計(jì)了三個(gè)強(qiáng)烈的刺激,。
第一個(gè)實(shí)驗(yàn)如同武俠小說里夜黑風(fēng)高的場景，小鼠被背后吹來的一陣?yán)滹L(fēng)嚇了一跳,；第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是小鼠被放在一個(gè)小盒子里,，盒子快速地晃動，模擬地震時(shí)的振動,；第三個(gè)實(shí)驗(yàn)就是自由落體實(shí)驗(yàn),，模擬坐過山車時(shí)的強(qiáng)烈刺激。
這三個(gè)實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)小時(shí)里依次進(jìn)行,，中間有間隔的時(shí)間,，每種刺激反復(fù)給出7次。
在研究室的電腦屏幕上,，神經(jīng)元變化圖密密麻麻地記錄了小鼠剛才的所思所想,。
海馬區(qū)的神經(jīng)元只有兩種狀態(tài)，要么活動要么不活動,。小鼠在每次“歷險(xiǎn)”時(shí),，電腦上的神經(jīng)元活動圖像出現(xiàn)了強(qiáng)烈的反應(yīng)：在所有260個(gè)神經(jīng)元里，有的神經(jīng)元放電頻率變快，有的變慢,，有的就停下來一段時(shí)間,，表現(xiàn)了不穩(wěn)定性。有15個(gè)神經(jīng)元,，給了同樣的刺激,，每個(gè)神經(jīng)元的放電頻率都在增加，增加的量都不一樣,，反應(yīng)都不穩(wěn)定?？梢韵胂笠幌?，在強(qiáng)烈的刺激下，小鼠的腦內(nèi)好似產(chǎn)生了無數(shù)次的電閃,，“劈劈啪啪”地跳躍不停,。
這些不穩(wěn)定的神經(jīng)元的反應(yīng)又說明了什么？
發(fā)現(xiàn)記憶編碼
單個(gè)神經(jīng)元怎么來編碼,，這是個(gè)很難回答的問題,。林龍年考慮到了一個(gè)多神經(jīng)元編碼的可能。他把有反應(yīng)的神經(jīng)元都拿出來進(jìn)行統(tǒng)計(jì),。
假如成組觀察的話,，林龍年發(fā)現(xiàn)它們的反應(yīng)都很穩(wěn)定：有的組的神經(jīng)元只對吹冷氣的實(shí)驗(yàn)有反應(yīng)，有的組只對自由落體的實(shí)驗(yàn)有反應(yīng),，而它們各自對其他組都沒有反應(yīng),。接著林龍年對每個(gè)組的神經(jīng)元進(jìn)行了編碼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在反復(fù)刺激下,，這樣的編碼永遠(yuǎn)不會重復(fù),，林龍年覺得這個(gè)結(jié)論可以作為大腦對外界活動的一個(gè)表征。
“其實(shí),，不管什么記憶,，都不像我們以前認(rèn)為的單個(gè)神經(jīng)元在起編碼作用，而關(guān)鍵是這個(gè)神經(jīng)元是否參與這個(gè)事件的反應(yīng)”,。實(shí)驗(yàn)中,，林龍年還發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是有一組特質(zhì)神經(jīng)元和驚恐刺激有關(guān),，他將它命名為“神經(jīng)編碼單元”,。
簡單地說，記憶編碼是以單元活動的,，而不是受某一個(gè)神經(jīng)元的變化所控制,。科學(xué)家們通過這些編碼單元的激活與否，把每一種驚嚇經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成一串二進(jìn)制數(shù)字,，這種數(shù)字化的編碼形式使得他們能夠?qū)Σ煌膫€(gè)體乃至不同種群動物的大腦編碼活動進(jìn)行直接的比較和分析,。
在分析了大量的神經(jīng)元活動情況后，研究人員已經(jīng)可以根據(jù)小鼠的神經(jīng)元圖譜,，來推測它受到了哪種驚嚇刺激,。
據(jù)林龍年介紹，目前研究實(shí)驗(yàn)涉及的記憶刺激還很有限,，只是驚恐方面的刺激,，所觀察到的神經(jīng)編碼單元也很有限，只有7-8個(gè)單元,?？茖W(xué)家們還設(shè)想有很多其他的記憶單元，它們?nèi)绻倮^續(xù)組合,，就形成了一種編碼能力,。
雖然目前實(shí)驗(yàn)對象只是小鼠，但林龍年說：“小鼠和人腦的差別主要在皮層方面,，但底層結(jié)構(gòu)是相同的,，我們?nèi)祟惡托∈蟮纳窠?jīng)元編碼方式是一樣的。”所以如果能完全破解小鼠海馬區(qū)學(xué)習(xí)和記憶的奧秘,，那么對破解人腦的奧秘將大有幫助,，甚至可以制造出具有人類思維方式的機(jī)器人，他們能夠獨(dú)立思考,，懂得聯(lián)想,，甚至有情有義，而“聰明鼠”就是一個(gè)典型,。
