2022年7月18日

研究人员实时观察记忆的形成

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为什么一个几十年没骑过自行车的人可以跳上自行车，毫不动摇地骑走，但可能只记得三年级同学的一两个名字?

这可能是因为身体技能——神经科学家称之为运动记忆——在我们大脑中的编码与我们对名字或事实的记忆不同。

现在，吴仔神经科学研究所的科学家们的一项新研究揭示了运动记忆是如何形成的，以及为什么它们如此持久。它甚至可能有助于阐明帕金森病等运动障碍的根本原因。

“我们认为电动机的记忆是独一无二的，”神经外科和神经学副教授丁俊说。“一些关于阿尔茨海默病的研究包括了以前是音乐家的参与者，他们不记得自己的家庭，但他们仍然可以演奏美妙的音乐。显然，运动记忆的形成方式存在巨大差异。”

记忆被认为是在大脑中以数百或数千个神经元网络的活动模式编码的，有时分布在遥远的大脑区域。这种记忆痕迹的概念(有时称为记忆印迹)已经存在了一个多世纪，但是确切地识别印迹是什么以及它是如何编码的已经被证明是极具挑战性的。先前的研究表明，某些形式的学习可以激活特定的神经元，当所学的记忆被回忆起来时，这些神经元会重新激活。然而，记忆印迹神经元是否存在于运动技能学习中尚不清楚。

丁和博士后学者Richard Roth和Fuu-Jiun Hwang想知道这些类似印迹的细胞群是如何参与学习和记忆一项新的运动技能的。

来源:斯坦福大学

罗斯说:“当你第一次学习投篮时，每次投掷时你使用的神经元都非常不同，但随着你的进步，你使用的神经元每次都是一样的。”“这些精细的神经元通路被认为是记忆印迹的基础，但我们想确切地知道这些通路是如何出现的。”

他们的新研究发表于2022年7月8日神经元，研究人员训练老鼠用爪子通过一个小槽够到食物颗粒。利用由吴仔神经科学研究所生物系同事罗利群实验室开发的基因魔法，研究人员能够识别大脑运动皮层(负责控制运动的区域)中在学习过程中被激活的特定神经元。研究人员用荧光标记标记这些潜在的印痕细胞，这样他们就可以看到它们是否在以后回忆记忆时也起作用。

当研究人员在几周后测试动物对这项新技能的记忆时，他们发现那些仍然记得这项技能的小鼠在学习期间首次识别出的神经元中表现出了增加的活动，这表明这些神经元负责编码这项技能:研究人员观察到记忆印迹的形成。

但这些特殊的神经元群是如何首先承担学习新任务的责任的呢?它们是如何提高动物的表现的呢?

为了回答这些问题，研究人员把镜头拉近了。使用双光子显微镜观察这些活动回路，他们观察到所谓的“印迹神经元”随着小鼠的学习而重新编程。运动皮层印迹细胞获得了新的突触输入——可能反映了关于到达运动的信息——并且自己在被称为背外侧纹状体的遥远大脑区域形成了强大的新的输出连接——一个关键的中转站，通过它，印迹神经元可以对动物的运动施加精确的控制。这是第一次有人观察到在这两个大脑区域的输入和输出水平上，在同一神经元种群上产生了新的突触通路。

追踪小鼠大脑中形成的新记忆的能力，让研究团队能够对长期以来关于技能如何存储在大脑中的争论进行评估:它们是由一个中央记忆痕迹或印迹控制的，还是记忆冗余地存储在许多不同的大脑区域?虽然这项研究不能否定集中记忆的观点，但它确实为相反的理论提供了可信度。另一个引人注目的问题是，这些印迹神经元的激活是否是完成已经学会的运动任务所必需的。研究人员推测，通过抑制已被确定为运动皮层记忆印迹的一部分的神经元的活动，小鼠可能仍然能够执行任务。

“把记忆想象成高速公路。如果101和280都关闭了，你仍然可以从旧金山到斯坦福，只是需要更长的时间。”

这些发现表明，除了分散之外，运动记忆也是高度冗余的。研究人员说，当我们重复学习技能时，我们通过建立新的连接来不断加强运动记忆，从而完善技能。这就是所谓的肌肉记忆——一种精细的、高度冗余的运动记忆网络，它被频繁使用，以至于相关的技能似乎是自动的。

丁认为，这种不断的重复是马达持续运动的原因之一内存，但这不是唯一的原因。记忆持久性也可能受到与奖励相关的技能的影响，可能是通过神经递质多巴胺。虽然研究团队在这项研究中没有直接提到这一点，但丁之前在帕金森病方面的工作表明了这种联系。

“目前的想法是帕金森病是这些运动印迹被阻塞的结果，但如果它们实际上丢失了，人们正在忘记这些技能呢?”丁说。“记住，即使走路也是一种运动技能，我们都学过一次，它可能会被遗忘。”

研究人员希望在后续研究中回答这个问题，因为这可能是开发有效治疗运动障碍的关键。如果帕金森病是运动记忆障碍的结果，那么患者应该能够通过练习和加强这些运动技能来提高他们的运动能力。另一方面，如果帕金森氏症破坏了运动印痕并抑制了新的印痕的产生——通过针对运动印痕神经元在该团队的新研究中观察到它们的突触连接，那么必须采取一种完全不同的方法来提供有效的治疗。