自上世紀(jì)90年代以來(lái)，研究人員通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，嚙齒類動(dòng)物有一種特殊的神經(jīng)元活動(dòng)模式，大概就像是這樣的場(chǎng)景：大腦海馬體中有成千上萬(wàn)的神經(jīng)細(xì)胞同時(shí)放電。但是，當(dāng)這些神秘放電同步發(fā)生時(shí)，嚙齒類動(dòng)物腦子里在想什么？難道是想變身皮卡丘？研究人員們帶著這個(gè)疑問(wèn)開(kāi)始了對(duì)此現(xiàn)象的深入研究。

最近，魏茨曼研究所的科學(xué)家們成功地在人腦中記錄了這些快速爆發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)。他們親切地稱其為“海馬漣漪”（還挺形象的，就像演唱會(huì)或者大賽觀眾席的聲浪），并證明了它們是雕刻新記憶和隨后的回憶的基礎(chǔ)。相關(guān)研究發(fā)表在《Science》上。

DOI:10.1126/science.aax1030

炫麗的煙火表演

“就其強(qiáng)度和時(shí)機(jī)而言，這場(chǎng)漣漪的發(fā)生簡(jiǎn)直令人吃驚。它是由大約15%的海馬神經(jīng)元同步激活的精心策劃的爆發(fā)——所有的神經(jīng)元大約在十分之一秒內(nèi)同時(shí)放電。就像是一場(chǎng)安排好的神經(jīng)細(xì)胞的煙火表演。”魏茨曼研究所神經(jīng)生物學(xué)系的Rafi Malach教授說(shuō)。

研究人員首次發(fā)現(xiàn)這種放電出現(xiàn)在嚙齒動(dòng)物的睡眠和休息的精神狀態(tài)中，并且在嚙齒動(dòng)物的空間導(dǎo)航記憶中也起重要作用。直到近年來(lái)，研究人員在靈長(zhǎng)類動(dòng)物的海馬體中發(fā)現(xiàn)，大群神經(jīng)元的這種同步電活動(dòng)竟然也會(huì)在清醒狀態(tài)下發(fā)生。但是，截至目前，科學(xué)家們?nèi)匀粚?duì)這種“海馬漣漪”在人類認(rèn)知和心理活動(dòng)中所扮演的角色一無(wú)所知。

實(shí)踐出真知與偉大的奉獻(xiàn)

用MRI監(jiān)測(cè)植入癲癇患者海馬的電極（黃點(diǎn)） 圖片來(lái)源：魏茨曼科學(xué)研究所

盡管，人類可以自由交流所思所想，但大多數(shù)的研究方法并沒(méi)有給科學(xué)家提供大腦內(nèi)同時(shí)發(fā)生事情的詳細(xì)視圖。于是馬拉奇實(shí)驗(yàn)室的一名博士生Yitzhak Norman與美國(guó)范斯坦醫(yī)學(xué)研究所(FeinsteinInstitute for Medical research)的Ashesh Mehta教授的團(tuán)隊(duì)合作，領(lǐng)導(dǎo)了目前的研究。在該臨床手術(shù)中，醫(yī)生將為患有難治性癲癇的患者多個(gè)腦區(qū)域插入電極，定位癲癇灶并通過(guò)手術(shù)切除病灶。這些患者在癲癇發(fā)作期間在醫(yī)院等待期間自愿參加記憶實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員向患者展示了一些色彩豐富、視覺(jué)細(xì)節(jié)豐富的圖片，這些圖片要么是名人(如巴拉克•奧巴馬(Barack Obama)、烏瑪•瑟曼(Uma Thurman))，要么是著名的紀(jì)念碑(如自由女神像、比薩斜塔)。患者被要求盡可能詳細(xì)地記住這些圖片。觀看完圖片后，又進(jìn)行一個(gè)短暫的分散注意力任務(wù)，之后患者被要求蒙著眼睛，自由地回憶圖片，并詳細(xì)描述它們。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，患者的談話被記錄下來(lái)，同時(shí)記錄下他們相應(yīng)的大腦活動(dòng)，并通過(guò)植入海馬體和大腦皮層其他區(qū)域的電極顯示出來(lái)。

把大腦活動(dòng)和病人的口頭敘述聯(lián)系起來(lái)，可以發(fā)現(xiàn)一些驚人的觀察結(jié)果。首先，研究發(fā)現(xiàn)“海馬漣漪”爆發(fā)在自由回憶過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用：在患者回憶并開(kāi)始描述一幅新圖片的一兩秒鐘之前，他們回憶的漣漪率顯著增加。重要的是，“海馬漣漪”重新表達(dá)了圖片的內(nèi)容：在觀看階段引發(fā)更多漣漪的圖片，在隨后的回憶中也會(huì)引發(fā)更多的漣漪。

海馬體將軍

該圖像描繪了患者顱內(nèi)電極表現(xiàn)（紅色圓圈），其在觀看圖像時(shí)測(cè)量皮層電場(chǎng)的變化并且稍后自由地回憶相同的圖像。圖片來(lái)源：Yitzhak Norman

由于大腦活動(dòng)同時(shí)記錄在海馬體和大腦皮層，研究人員能夠證明漣漪與大腦皮層的激活是同步的，特別是在大腦的視覺(jué)中心，那里可能存儲(chǔ)著詳細(xì)的視覺(jué)信息。此外，原本高級(jí)視覺(jué)中樞被認(rèn)為是專門用來(lái)表示特定的視覺(jué)類別的——例如，面孔在一個(gè)皮層區(qū)域表示，紀(jì)念碑在另一個(gè)區(qū)域表示。因此，當(dāng)病人回憶一張臉（比如奧巴馬），或者是一座紀(jì)念碑（比如埃菲爾鐵塔），大腦皮層的活動(dòng)在相應(yīng)的視覺(jué)中心被選擇性地增強(qiáng)。Norman解釋說(shuō)：“在自由回憶的過(guò)程中，許多中心的協(xié)調(diào)活動(dòng)被揭示出來(lái)，海馬體扮演著指揮的角色。”

刷新認(rèn)知

這些發(fā)現(xiàn)大大擴(kuò)展了我們對(duì)海馬體功能的理解。研究強(qiáng)調(diào)同步神經(jīng)元群活動(dòng)的重要性。應(yīng)該記住，海馬體爆發(fā)涉及數(shù)十萬(wàn)神經(jīng)細(xì)胞的同步激活。

Malach總結(jié)道：“這對(duì)我們理解人類記憶背后的神經(jīng)元機(jī)制是一個(gè)重大的進(jìn)步。雕刻記憶，它們的存儲(chǔ)和回憶自然依賴于一系列復(fù)雜的過(guò)程。然而，這種同步海馬爆發(fā)的‘神經(jīng)元戲劇’清楚地指出了它們?cè)谟洃浶纬珊突貞浿械暮诵淖饔谩?rdquo;

參考資料：

[1] Scientists uncover neuronal mechanismcentral to human free recall

[2] Hippocampal sharp-wave ripples linkedto visual episodic recollection in humans