研究人员揭示了人类大脑如何分离、存储和检索记忆

研究确定了在离散事件之间形成边界的脑细胞

大脑插图

大脑插图(库存图片)。

研究人员已经在我们的大脑中确定了两种类型的细胞,它们根据它们发生的时间来组织离散的记忆。这一发现提高了我们对人类大脑如何形成记忆的理解,并可能对阿尔茨海默病等记忆障碍产生影响。该研究得到了美国国立卫生研究院大脑研究通过推进创新神经技术 (BRAIN) 倡议的支持,并发表在《自然神经科学》上。

“这项工作对研究人员研究人脑思维方式的方式具有变革性,”美国国家神经疾病和中风研究所和 NIH BRAIN 计划的项目主任 Jim Gnadt 博士说。“它通过直接记录产生思想的神经元,为人类神经科学带来了一种以前在非人类灵长类动物和啮齿动物中使用的方法。”

这项由洛杉矶 Cedars-Sinai 医学中心神经外科、神经病学和生物医学科学教授 Ueli Rutishauser 博士领导的研究从一个看似简单的问题开始:我们的大脑是如何形成和组织记忆的?我们将清醒的生活视为一种持续的体验,但基于人类行为研究,我们相信我们将这些生活事件存储为单独的、不同的时刻。什么标志着记忆的开始和结束?这个理论被称为“事件分割”,我们对这个过程在人脑中的运作方式知之甚少。

为了研究这一点,Rutishauser 和他的同事与 20 名正在接受颅内大脑活动记录的患者合作,以指导手术治疗他们的耐药性癫痫。他们研究了当播放包含不同类型“认知边界”的电影剪辑时患者的大脑活动如何受到影响——这些转变被认为会触发记忆存储方式的变化,并标志着记忆“文件”的开始和结束。脑。

第一种类型,称为“软边界”,是包含一个场景的视频,然后切换到另一个场景,继续相同的故事。例如,一场显示投球的棒球比赛,当击球手击球时,摄像机切换到守场员进行比赛的镜头。相比之下,“硬边界”是对一个完全不同的故事的剪辑——想象一下,如果击球后立即剪辑到一个广告。

波士顿儿童医院博士后研究员、该研究的第一作者 Jie Zheng 博士解释了这两个界限之间的关键区别。

“这是同一个故事中的一个新场景,还是我们正在观看一个完全不同的故事?从一个片段到另一个片段的叙述变化多少决定了认知边界的类型,”郑说。

研究人员在观看视频时记录了参与者的大脑活动,他们注意到两组不同的细胞通过增加活动来响应不同类型的边界。一组,称为“边界细胞”,对软边界或硬边界的反应变得更加活跃。第二组,称为“事件单元”,仅对硬边界做出反应。这导致了这样一种理论,即当边界单元和事件单元的活动都达到峰值时,就会产生新的记忆,而这只有在硬边界之后才会发生。

与记忆如何在大脑中存储和访问的一个类比是照片如何存储在您的手机或计算机上。通常,照片会根据拍摄时间和地点自动分组到事件中,然后作为该事件的关键照片显示给您。当您点击或单击该照片时,您可以深入了解该特定事件。

“可以将边界响应视为创建新的照片事件,”Rutishauser 博士说。“当你建立记忆时,就像新照片被添加到那个事件中一样。当一个硬边界发生时,那个事件就关闭了,一个新的事件开始了。软边界可以被认为代表一个事件中创建的新图像。 "

研究人员接下来研究了记忆检索以及该过程如何与边界和事件单元的触发相关联。他们推测,大脑使用边界峰值作为“略过”过去记忆的标记,这与使用关键照片识别事件的方式非常相似。当大脑发现一种看起来很熟悉的放电模式时,它就会“打开”那个事件。

使用了两种不同的记忆测试来研究这个理论。首先,参与者被展示了一系列静止图像,并被问及他们是否来自他们刚刚观看的电影剪辑中的场景。研究参与者更有可能记住在硬边界或软边界之后不久出现的图像,即创建新的“照片”或“事件”的时间。

第二个测试涉及显示从他们刚刚观看的电影剪辑中拍摄的成对图像。然后参与者被问到两张图片中哪一张最先出现。事实证明,如果两者发生在硬边界的不同侧,他们选择正确图像的难度要大得多,可能是因为它们被放置在不同的“事件”中。

这些发现提供了对人类大脑如何创建、存储和访问记忆的了解。由于事件分割是一个可能会影响记忆障碍患者的过程,因此这些见解可以应用于新疗法的开发。

未来,Rutishauser 博士和他的团队计划研究两种可能的途径来开发与这些发现相关的疗法。首先,使用化学多巴胺的神经元(以其在奖励机制中的作用而闻名)可能被边界细胞和事件细胞激活,这表明可能的目标有助于加强记忆的形成。

其次,大脑的一种正常内部节律,称为θ节律,与学习和记忆有关。如果事件细胞以这种节奏及时发射,参与者就会更容易记住他们显示的图像的顺序。因为深部脑刺激可以影响θ节律,这可能是治疗患有某些记忆障碍的患者的另一种途径。

该项目是由一个多机构联合体通过 NIH BRAIN Initiative 的人类研究计划实现的。参与这项研究的机构是 Cedars-Sinai 医疗中心、波士顿儿童医院(PI Gabriel Kreiman 博士网站)和多伦多西部医院(PI Taufik Valiante 博士网站)。该研究由 NIH BRAIN Initiative (NS103792、NS117839)、美国国家科学基金会和加拿大大脑资助。

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