大脑如何将事件联系起来以形成记忆揭示了意想不到的心理过程

小鼠海马区CA1中神经元的活动光响应的2光子钙成像（速度为5倍），因为它学会了在15秒的延迟时间内将中性音调（条件刺激）与气嘴（非条件刺激）相关联。

哥伦比亚领导的小鼠研究结果为绘制大脑记忆中心的电路图提供了有力的支持。指出了惊恐和创伤后应激障碍的新研究领域。

一个走在街上的女人听到一声巨响。片刻之后，她发现一直走在她前面的男友被枪杀。一个月后，该名女子进入急诊室。她说，垃圾车发出的噪音正在引起恐慌。她的大脑在响亮的声音和她所看到的毁灭性景象之间形成了深远而持久的联系。

这个故事是由临床精神病医生转达的，也是一项新研究的作者之一，医学博士Mohsin Ahmed博士，是大脑强大的记忆力并将其与时间相关的事件联系起来的有力例子。现在，在今天（2020年5月8日）在Neuron上发表的关于老鼠的新研究中，哥伦比亚大学祖克曼研究所的科学家们揭示了大脑如何形成这种持久的联系。

科学家发现了一种令人惊讶的机制，海马体（一个对记忆至关重要的大脑区域）通过时间架起桥梁：通过激发似乎是随机的活动爆发，但实际上构成了一种复杂的模式，随着时间的推移，它可以帮助大脑学习协会。通过揭示联想学习背后的潜在电路，这些发现为更好地理解焦虑，创伤和与应激源相关的疾病（例如惊恐和创伤后应激障碍）奠定了基础，其中看似中性的事件可能引起负面反应。

哥伦比亚Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所首席研究员Attila Losonczy，MD，PhD以及该论文的共同资深作者。“这种能力是生存的关键，但事实证明，其背后的机制难以捉摸。通过今天对小鼠的研究，我们绘制了大脑进行的复杂计算，以链接时间上分离的不同事件。”

海马体是埋在大脑深处的海马形小区域，是学习和记忆的重要总部。先前在小鼠中进行的实验表明，对海马体的破坏使动物难以学会将相隔数十秒的两个事件联系起来。

哥伦比亚瓦格洛斯医师与外科医生学院临床精神病学助理教授，第一作者，医学博士艾哈迈德博士说：“普遍的观点是，海马中的细胞保持了与此类事件相关的持续活动水平。”艾哈迈德博士说。今天的学习。“关闭这些单元将因此破坏学习。”

为了检验这种传统观点，研究人员对小鼠海马的一部分进行了成像，这是因为它们受到两种不同的刺激：中性的声音，然后是一小段令人不愉快的空气。十五秒的延迟将两个事件分开。科学家在多个试验中重复了该实验。随着时间的流逝，老鼠学会了将这种音调与即将跟进的空气联系起来。他们使用先进的双光子显微镜和功能性钙成像，在每天的试验过程中，连续数天记录了动物海马中成千上万个神经元（一种脑细胞）的活动。

哥伦比亚大学瓦格洛斯内科医生与外科学学院神经科学教授Losonczy博士说：“通过这种方法，我们可以以一种更简单的方式模仿当我们学会将两个事件联系起来时我们的大脑经历的过程。” 。

为了弄清他们收集的信息，研究人员与计算神经科学家合作，后者开发了功能强大的数学工具来分析大量实验数据。

哥伦比亚大学祖克曼分校的首席计算神经科学家Stefano Fusi博士说：“我们希望在15秒的间隙中会持续出现重复的连续神经活动，这表明海马在工作中将听觉音调与吹气联系起来。”研究所和该论文的共同资深作者。“但是当我们开始分析数据时，我们没有看到这样的活动。”

相反，在十五秒的时间间隔内记录的神经活动很少。只有少数神经元被发射，而且它们似乎是随机发射的。这种零星活动看起来与大脑在其他学习和记忆任务（例如记忆电话号码）中显示的持续活动截然不同。

“在整个任务过程中，活动似乎是在间歇和随机的时间进行的。”詹姆斯博士·普里斯特利说，他是博士的导师。哥伦比亚大学祖克曼研究所的Losonczy和Fusi以及该论文的共同第一作者。“要了解活动，我们必须改变分析数据的方式，并使用旨在理解随机过程的工具。”

最终，研究人员发现了一种随机性模式：一种心理计算方式，似乎是神经元存储信息的一种非常有效的方式。神经元不是在不断地交流，而是通过在细胞之间的连接（称为突触）中编码信息，而不是通过细胞的电活动来节省能量。

哥伦比亚瓦格洛斯学院神经科学教授，富西博士说：“我们很高兴看到大脑在所有这些秒中都无法保持持续的活动，因为这在代谢上并不是最有效的信息存储方式。”医生和外科医生。“大脑似乎有一种更有效的方法来架桥，我们怀疑这可能涉及改变突触的强度。”

这些发现不仅有助于绘制与联想学习有关的电路图，还提供了一个起点，可以更深入地探索与联想记忆功能障碍有关的疾病，例如惊恐症和创伤后应激障碍。

“虽然我们的研究并未明确模拟这两种疾病的临床症状，但它可能会提供丰富的信息，”艾哈迈德博士说，他也是哥伦比亚大学祖克曼研究所Losonczy实验室的成员。“例如，它可以帮助我们对当患者经历两个事件之间令人恐惧的关联而在大脑中可能发生的某些方面进行建模，而这两个事件对于其他人而言不会引起恐惧或恐慌。”

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本文的标题为“海马网络重组是时间联想记忆形成的基础。”其他贡献者包括Angel Castro，Fabio Stefanini博士，Ana Sofia Solis Canales，Elizabeth M.Balough博士，Erin Lavoie和Luca Mazzucato博士。

参考：Mohsin Ahmed等人在2020年5月8日于Neuron上发表的“海马网络重组奠定了时间联想记忆的基础”。

这项研究得到了莱昂·利维基金会，美国精神病学基金会，美国国立卫生研究院（T32MH018870，K08MH113036，T32NS064928，F31MH121058，K25DC013557，R01MH100631，U19NS090583 R01NS094668），国家科学基金会NeuroNex计划（DBI-1707398，西蒙斯基金会）的支持，格罗斯曼基金会（Grossman Foundation），盖茨比基金会（Gatsby Foundation），卡夫里基金会（Kavli Foundation），塞尔教授计划（Searle Scholars Program），人类前沿科学计划和“麦克奈特记忆与认知障碍”奖。

作者声明没有任何经济利益或竞争利益。