2022年腦科學(xué)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽（Brain Challenge）報(bào)名倒計(jì)時(shí)！

Brain Bee腦科學(xué)活動(dòng)于2013年進(jìn)入中國(guó)，至今已整整十年。在過(guò)去十年間，全國(guó)各地的青少年學(xué)生通過(guò)Brain Bee活動(dòng)平臺(tái)，開(kāi)始認(rèn)識(shí)和探索大腦。2022年腦科學(xué)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽（Brain Challenge）報(bào)名倒計(jì)時(shí)！

舉辦時(shí)間：2022年8月20-21日。

所有的存儲(chǔ)設(shè)備，從你的大腦到電腦的RAM，都是通過(guò)改變它們的物理特性來(lái)存儲(chǔ)信息的。

130多年前，神經(jīng)學(xué)家先驅(qū)圣地亞哥·卡哈爾(Santiago Ramón y Cajal)首次提出，大腦通過(guò)重新排列神經(jīng)元之間的連接或突觸來(lái)存儲(chǔ)信息。

從那時(shí)起，神經(jīng)科學(xué)家就試圖了解與記憶形成相關(guān)的物理變化。但可視化和映射突觸是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

首先，突觸非常小，它們緊密地聚集在一起。它們大約比標(biāo)準(zhǔn)臨床核磁共振成像所能看到的最小物體小100億倍。此外，研究人員經(jīng)常用小鼠的大腦來(lái)研究大腦功能，在小鼠的大腦中，大約有10億個(gè)突觸，它們和周?chē)慕M織一樣，都是不透明到半透明的顏色。

Getty Images，突觸包括傳遞神經(jīng)元的末端，接收神經(jīng)元的起始，以及它們之間的微小間隙。

最近，研究人員開(kāi)發(fā)的一種新的成像技術(shù)，讓他們能夠繪制記憶形成過(guò)程中的突觸。

他們發(fā)現(xiàn)，形成新記憶的過(guò)程改變了腦細(xì)胞相互連接的方式。雖然大腦的一些區(qū)域產(chǎn)生了更多的連接，但另一些區(qū)域則失去了這些連接。

繪制小魚(yú)的新記憶

此前，研究人員專(zhuān)注于記錄神經(jīng)元產(chǎn)生的電信號(hào)。雖然這些研究已經(jīng)證實(shí)，神經(jīng)元在記憶形成后會(huì)改變它們對(duì)特定刺激的反應(yīng)，但它們無(wú)法確定是什么驅(qū)動(dòng)了這些變化。

為了研究大腦在形成新記憶時(shí)是如何發(fā)生物理變化的，團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)建了斑馬魚(yú)記憶形成前后突觸的3D地圖。之所以選擇斑馬魚(yú)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，是因?yàn)樗鼈冏銐虼螅瑩碛泻腿祟?lèi)一樣的大腦，但又足夠小，足夠透明，可以讓研究人員打開(kāi)思路，觀察到處于活躍狀態(tài)下的大腦。

BY-NC-ND，斑馬魚(yú)尤其適合作為神經(jīng)科學(xué)研究的模型。

為了誘導(dǎo)小魚(yú)產(chǎn)生新的記憶，研究人員使用了一種叫做經(jīng)典條件反射的學(xué)習(xí)過(guò)程。這包括將動(dòng)物同時(shí)放置在兩種不同類(lèi)型的刺激下：一種是不會(huì)引起反應(yīng)的中性刺激，另一種是動(dòng)物試圖避免的，令它們感到不舒服的刺激。

當(dāng)這兩種刺激配對(duì)次數(shù)足夠多時(shí)，動(dòng)物就會(huì)對(duì)中性刺激做出反應(yīng)，就好像它是不舒服的刺激一樣，這表明它已經(jīng)形成了將這兩種刺激結(jié)合在一起的聯(lián)想記憶。

作為一種不舒服的刺激，研究人員用紅外激光輕輕地加熱魚(yú)的頭部。當(dāng)魚(yú)甩尾巴時(shí)，就認(rèn)為這是它想逃跑的跡象。當(dāng)小魚(yú)處在中性刺激下時(shí)，燈打開(kāi)，尾巴擺動(dòng)，意味著它在回憶之前遇到不愉快的刺激時(shí)發(fā)生了什么。

BY-NC-ND，巴甫洛夫的狗是經(jīng)典條件反射中最著名的例子，狗在聽(tīng)到鈴聲時(shí)會(huì)分泌唾液，因?yàn)樗呀?jīng)在鈴聲和食物之間形成了聯(lián)想記憶

為了繪制這些圖譜，研究人員對(duì)斑馬魚(yú)進(jìn)行了基因改造，讓它們的神經(jīng)元產(chǎn)生熒光蛋白，這些蛋白結(jié)合在突觸上，使它們可見(jiàn)。

隨后再用一種定制的顯微鏡對(duì)突觸進(jìn)行成像，這種顯微鏡使用的激光劑量比使用熒光產(chǎn)生圖像的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備要低得多。因?yàn)檠芯咳藛T的顯微鏡對(duì)神經(jīng)元造成的損傷較小，所以能夠在不失去突觸結(jié)構(gòu)和功能的情況下成像。

在比較記憶形成前后的3D突觸圖譜時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)大腦區(qū)域，即前外側(cè)背側(cè)皮層（pallium），神經(jīng)元發(fā)育出新的突觸，則主要位于第二個(gè)區(qū)域，即前內(nèi)側(cè)背側(cè)皮層的神經(jīng)元?jiǎng)t失去了突觸。

這意味著新的神經(jīng)元配對(duì)在一起，而其他神經(jīng)元?jiǎng)t破壞了它們的連接。先前的實(shí)驗(yàn)表明，魚(yú)類(lèi)的背皮層可能類(lèi)似于哺乳動(dòng)物的杏仁核，那里儲(chǔ)存著不好的記憶。

BY-NC-ND，這張圖片展示了活魚(yú)大腦中的神經(jīng)元，其中的突觸被涂成綠色。

令人驚訝的是，與記憶形成有關(guān)的神經(jīng)元之間現(xiàn)有連接強(qiáng)度的變化很小，與沒(méi)有形成新記憶的對(duì)照組魚(yú)的變化沒(méi)有區(qū)別。這意味著，形成聯(lián)想記憶包括突觸的形成和丟失，但并不一定像之前認(rèn)為的那樣，改變現(xiàn)有突觸的強(qiáng)度。

移除突觸能移除記憶嗎？

研究人員觀察腦細(xì)胞功能的新方法，不僅可以讓我們更深入地了解記憶實(shí)際上是如何工作的，還可以為治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和成癮等神經(jīng)精神疾病開(kāi)辟潛在的途徑。

聯(lián)想記憶往往比其他類(lèi)型的記憶要強(qiáng)烈得多，比如關(guān)于你昨天午餐吃了什么的有意識(shí)記憶。此外，由經(jīng)典條件反射誘發(fā)的聯(lián)想記憶被認(rèn)為類(lèi)似于導(dǎo)致PTSD的創(chuàng)傷性記憶。其他無(wú)害的刺激類(lèi)似于人們?cè)趧?chuàng)傷時(shí)所經(jīng)歷的，可以觸發(fā)痛苦的回憶。

目前，創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙最常見(jiàn)的治療方法是環(huán)境療法，即反復(fù)將患者置于無(wú)害但能觸發(fā)刺激的環(huán)境中，以抑制對(duì)創(chuàng)傷事件的回憶。

從理論上而言，這間接地重塑了大腦的突觸，使記憶不那么痛苦。雖然環(huán)境療法取得了一些進(jìn)展，但患者容易復(fù)發(fā)。這表明導(dǎo)致創(chuàng)傷反應(yīng)的潛在記憶并沒(méi)有被消除。

目前還不清楚突觸的產(chǎn)生和丟失是否真的推動(dòng)了記憶的形成。但有實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種技術(shù)，可以在不損害神經(jīng)元的情況下快速準(zhǔn)確地移除突觸。他們計(jì)劃使用類(lèi)似的方法去除斑馬魚(yú)或小鼠的突觸，以觀察這是否會(huì)改變聯(lián)想記憶。

或許可以用這些方法，從物理上消除造成創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和成癮等毀滅性疾病的聯(lián)想記憶。然而，在考慮這種治療方法之前，編碼聯(lián)想記憶的突觸變化需要得到更精確的定義。或許有一天，突觸手術(shù)可以消除不好的記憶。

 

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