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大脑将记忆储存在临时“缓存”中(我们可以阅读它)
在实验室中生长的老鼠神经元(变亮和着色)。信用:Kelsey Tyssowski(CC By-Nd)

婚礼上的第一次舞蹈速度恰好四分钟52秒,但我可能会记住几十年。神经科学家仍然没有完全理解这一点:我的大脑如何能够将这个少于五分钟的体验翻译成终身记忆?部分难题是经验和记忆之间存在差距:我们的经历是短暂的,但形成长期记忆需要数小时。

在最近工作发表在神经元期刊我的同事一世弄明白了大脑是如何保存短暂经历的临时分子记录的。我们的发现不仅有助于解释大脑如何在经验和记忆之间架起桥梁。它还能让我们读取大脑的短期记录,提高了这样一种可能性:我们可能有一天能够通过观察大脑中的分子来推断一个人,或者至少是一只实验室老鼠过去的经历——他们所看到的,所想的,所感受到的。

大脑的哪个部分存储了记忆?

大脑的哪个部分存储了记忆?电脉冲携带信号
神经元的分支。信用:圣地亚哥ramóny cajal(cc by)

电信经验

为了揭示大脑是如何记录动物经历的,我们首先询问大脑是如何记录其电活动的。你的每一个经历,从和朋友聊天到闻薯条,都对应着神经系统和大脑中独特的电活动模式。这些活动模式是由哪些神经元活跃以及它们以何种方式活跃来定义的。

例如,假设你在健身房举重。哪些神经元是活跃的很简单:如果你用右臂举重,不同的神经元会比你用左臂举重活跃,因为连接每条手臂肌肉的神经元不同。

另一方面,神经元有效的方式包括无限数量的可能性。神经元活动由电力脉冲组成,这些电力可能会在几个时间内发生任何模式,你可以想象。电活动持续时间可以变化,或者脉冲是否在丛中或稳定地发生。在这种情况下,举重重量将导致每分钟更多脉冲

因此,它是神经元有效的组合,它们的脉冲频率频率使您的经验使您的体验能够用右手与左手抬起5磅重量的右手不同。

活化神经元激活基因

在我们的实验中,我们无法测试每一种可能的电活动模式,所以我们只关注神经元记录它们活动时间的方式。

我们预测,他们通过打开基因来保留这些记录。你体内的所有细胞都具有与其DNA中编码的相同基因。但不同的基因取决于细胞类型以及它生命中遇到的东西。在特定细胞中激活哪种基因是与其他细胞不同的原因。

大约30年来,研究人员已知神经元打开某些基因当它们是电活性的。当关染神经元中的基因时,细胞将分子施乐机送到DNA中的该基因的位置。分子施乐以新分子的形式制备大量基因的副本。这些新分子不是DNA的,而是与密切相关的RNA。这些RNA分子在细胞中留在小孩到几天,并用作大脑的记录是神经元的活性。

但我们想知道神经元上的基因是否可以记录他们一直在所有活跃,而且还可以作为他们活跃的方式记录。也就是说,在不同的时间段 - 更长或更短的时间段 - 转动不同的基因时进行不同的神经元?

我们认为他们会:长期记忆将物理变化物理变化存放到神经元本身,并且通过神经元经验的电活动模式确定变化的类型。因此,我们预测,大脑不仅需要追踪神经元的活跃,而且那些神经元是活跃的方式,以便使那些持久的变化。

研究人员活化的小鼠神经元生长在一道菜中。

研究人员激活了小鼠神经元
生长在一道菜中。信用:Kelsey Tyssowski(CC By-Nd)

在我们的实验中,我们通过将它们暴露于转向它们的化学物质来激活生长在盘中的小鼠神经元。只要化学品在那里,神经元都是活跃的,允许我们保持各种时间长度的打开。

我们发现,培养皿中的神经元被激活的时间长短不同,会开启不同的基因。这种基因记录的保存出乎意料地简单:神经元活动的时间越长,它们启动的基因就越多。

这不是真实的,不仅是在生长在一道菜的神经元,而且在生物老鼠的大脑中。通过将小鼠暴露在明亮的灯光下,只要灯亮起,我们就能激活其大脑视觉中心的神经元。灯光越长,打开了越不同的基因,他们的RNA复制在细胞中。这意味着在短暂的活性神经元中发现的一组分子不同于在长时间活跃的神经元中发现的分子。

这种简单的记录保持存在于活小鼠的大脑中,表明它也可能在人类的大脑中。

每个神经元都有一个隐喻性的机器,将其电活动转化为分子记录。

每个神经元包含一个隐喻
翻译电力的机器
活动进入分子记录。信誉:Anastasia Nizhnik和Kelsey Tyssowski
(CC BY-ND)

临时记录突发新闻

我们的工作只是解释了神经元如何记录它们活跃的时间,但我们认为神经元可能以同样的方式记录它们活动的所有方面。但是为什么大脑会保留动物经历的分子记录呢?

我认为这些分子记录像报纸一样。大脑通过在特定的神经元中的一组特定的基因上打开一组特定的基因来写一篇关于每种体验的文章。这些文章 - 以RNA分子的形式 - 将留在几小时数小时。但正如日常的报纸通常被抛出,所激活的基因的副本并不是脑子故事几十年来记忆。

相反,大脑读取其临时报纸的记录,以编写其历史书籍:长期记忆。当你的大脑储存一个经验的记忆时,它物理上改变连接在经验激活的神经元之间。这些变化可以持续一生 - 就像我的婚礼记忆一样。我们的小组认为,神经元的基因可能会告诉它在哪些改变方面的变化,就像报纸中的文章告诉学者在历史书中写作什么。

阅读记录

我的同事和我认为,如果大脑在书写长期记忆时能够读取这些分子记录,我们也应该能够读取它们。像任何可靠的记录一样,基因对短期和长期活动的反应是可以预测的。它们实际上是如此可预测,以至于我们能够通过观察一组神经元是被激活了很长一段时间还是很短一段时间,仅仅是看它们开启了哪些基因。

到目前为止,我们只能阅读神经元的活跃程度,但如果我们能够完全阅读大脑的记录,我们就可以通过查看脑中存在的RNA分子来推断某人的经验。我们可以看看你的神经元上的基因,并弄清楚今天早上的锻炼中,你举起了5-,而不是10-,右侧的重量,而不是左手。我们可以告诉你在你做的时候在做了你的约会。

不幸的是,对于愿意抛弃任何道德Qualps的有抱负的读者来说,实际上可以看出脑中存在的分子,并且可能不会处于可预见的未来。此外,我们不完全理解哪些大脑活动模式对应于哪些经历。因此,即使我们能流利地阅读这些记录,我们也无法推断经验。

相反,我们希望了解大脑的记录将提供一个更简单的方法来测量实验室动物的大脑活动,以便研究人员试图弄清楚经验和大脑活动之间的对应关系。目前的技术有些低效,只能实时测量活动,所以读取大脑的基因记录可以使这些实验更加可行。

因此,虽然人类在人类的分子思想留在现在,但我们的工作开始允许科学家阅读实验室老鼠大脑中的记录。了解大脑如何将经验转换为内存的电气活动是一步。

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Kelsey Tyssowski是生物医学科学的研究生哈佛大学。这篇文章是首次发表于The Conversation

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