2022年腦科學創新挑戰賽（Brain Challenge）報名倒計時！

Brain Bee腦科學活動于2013年進入中國，至今已整整十年。在過去十年間，全國各地的青少年學生通過Brain Bee活動平臺，開始認識和探索大腦。2022年腦科學創新挑戰賽（Brain Challenge）報名倒計時！

舉辦時間：2022年8月20-21日。

所有的存儲設備，從你的大腦到電腦的RAM，都是通過改變它們的物理特性來存儲信息的。

130多年前，神經學家先驅圣地亞哥·卡哈爾(Santiago Ramón y Cajal)首次提出，大腦通過重新排列神經元之間的連接或突觸來存儲信息。

從那時起，神經科學家就試圖了解與記憶形成相關的物理變化。但可視化和映射突觸是一項具有挑戰性的工作。

首先，突觸非常小，它們緊密地聚集在一起。它們大約比標準臨床核磁共振成像所能看到的最小物體小100億倍。此外，研究人員經常用小鼠的大腦來研究大腦功能，在小鼠的大腦中，大約有10億個突觸，它們和周圍的組織一樣，都是不透明到半透明的顏色。

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

最近，研究人員開發的一種新的成像技術，讓他們能夠繪制記憶形成過程中的突觸。

他們發現，形成新記憶的過程改變了腦細胞相互連接的方式。雖然大腦的一些區域產生了更多的連接，但另一些區域則失去了這些連接。

繪制小魚的新記憶

此前，研究人員專注于記錄神經元產生的電信號。雖然這些研究已經證實，神經元在記憶形成后會改變它們對特定刺激的反應，但它們無法確定是什么驅動了這些變化。

為了研究大腦在形成新記憶時是如何發生物理變化的，團隊成員創建了斑馬魚記憶形成前后突觸的3D地圖。之所以選擇斑馬魚作為實驗對象，是因為它們足夠大，擁有和人類一樣的大腦，但又足夠小，足夠透明，可以讓研究人員打開思路，觀察到處于活躍狀態下的大腦。

BY-NC-ND，斑馬魚尤其適合作為神經科學研究的模型。

為了誘導小魚產生新的記憶，研究人員使用了一種叫做經典條件反射的學習過程。這包括將動物同時放置在兩種不同類型的刺激下：一種是不會引起反應的中性刺激，另一種是動物試圖避免的，令它們感到不舒服的刺激。

當這兩種刺激配對次數足夠多時，動物就會對中性刺激做出反應，就好像它是不舒服的刺激一樣，這表明它已經形成了將這兩種刺激結合在一起的聯想記憶。

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的頭部。當魚甩尾巴時，就認為這是它想逃跑的跡象。當小魚處在中性刺激下時，燈打開，尾巴擺動，意味著它在回憶之前遇到不愉快的刺激時發生了什么。

BY-NC-ND，巴甫洛夫的狗是經典條件反射中最著名的例子，狗在聽到鈴聲時會分泌唾液，因為它已經在鈴聲和食物之間形成了聯想記憶

為了繪制這些圖譜，研究人員對斑馬魚進行了基因改造，讓它們的神經元產生熒光蛋白，這些蛋白結合在突觸上，使它們可見。

隨后再用一種定制的顯微鏡對突觸進行成像，這種顯微鏡使用的激光劑量比使用熒光產生圖像的標準設備要低得多。因為研究人員的顯微鏡對神經元造成的損傷較小，所以能夠在不失去突觸結構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，他們發現一個大腦區域，即前外側背側皮層（pallium），神經元發育出新的突觸，則主要位于第二個區域，即前內側背側皮層的神經元則失去了突觸。

這意味著新的神經元配對在一起，而其他神經元則破壞了它們的連接。先前的實驗表明，魚類的背皮層可能類似于哺乳動物的杏仁核，那里儲存著不好的記憶。

BY-NC-ND，這張圖片展示了活魚大腦中的神經元，其中的突觸被涂成綠色。

令人驚訝的是，與記憶形成有關的神經元之間現有連接強度的變化很小，與沒有形成新記憶的對照組魚的變化沒有區別。這意味著，形成聯想記憶包括突觸的形成和丟失，但并不一定像之前認為的那樣，改變現有突觸的強度。

移除突觸能移除記憶嗎？

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

聯想記憶往往比其他類型的記憶要強烈得多，比如關于你昨天午餐吃了什么的有意識記憶。此外，由經典條件反射誘發的聯想記憶被認為類似于導致PTSD的創傷性記憶。其他無害的刺激類似于人們在創傷時所經歷的，可以觸發痛苦的回憶。

目前，創傷后應激障礙最常見的治療方法是環境療法，即反復將患者置于無害但能觸發刺激的環境中，以抑制對創傷事件的回憶。

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。雖然環境療法取得了一些進展，但患者容易復發。這表明導致創傷反應的潛在記憶并沒有被消除。

目前還不清楚突觸的產生和丟失是否真的推動了記憶的形成。但有實驗室已經開發出一種技術，可以在不損害神經元的情況下快速準確地移除突觸。他們計劃使用類似的方法去除斑馬魚或小鼠的突觸，以觀察這是否會改變聯想記憶。

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