逍遥学能 2010-04-18 18:04
在小鼠海马神经元网络发现了编码惊吓情景经历的神经编码单元。
这些编码单元通过它们的激活状态可以把任何一种惊吓经历转化成一串二进制数字。
这种数字化的编码形式，使得科学家们能够对不同的个体乃至不同种群动物的大脑编码活动进行直接的比较和分析。
一阵冷风吹过，“咔喳、咔喳——”
屏幕上的脑电波，突然偏离了稳定的行走路线，冲动了起来，就像零落奔跑的脚步声，向实验室袭来。
这不是什么悬疑电影的场景，而是一只灰色的小老鼠“回忆”的声音。
这个声音让41岁的林龙年——这位华东师范大学脑功能基因组学研究所副教授着迷。如果恰巧你就在身边，他会告诉你，这是小鼠受到刺激之后，我们观测到的脑电波，此时此刻在小鼠大脑里真实发生的是一场电波乱窜的情景，宛如宇宙中无数的流星无序地对接，产生耀眼的光芒。
这一切和人脑的记忆很相似，当我们遇到终生难忘的事情，我们的大脑就是这样把电闪雷鸣般的记忆变成烙印。
我们究竟是怎么记住纷繁复杂的世界？我们把所有的记忆存放在大脑的哪里？我们又是怎样存放的？是不是像福尔摩斯所说，人类的记忆就像一个阁楼，多装一些有益的就要清除一些无用的？
2005年4月12日，林龙年与美国波士顿大学钱卓教授在世界上首次发现大脑记忆的编码单元与大脑密码的解读方法。美国科学院院士、著名神经学家Tom Sudhof教授评价说：“肯定会对神经领域的研究产生深远影响。”
林龙年对大脑神经元网络的基本运作规则的探索，就是解答大脑怎样来储存信息，又是怎样通过记忆加工的方法对信息进行处理，就和电脑的编程一样。研究大脑神经元在网络层次上的编码，将一步步展示出人类大脑是如何进行记忆的。
“海马”掌握记忆秘匙
现今科学家的研究表明，记忆不是一种分子，并非这个分子代表了一个人脸，或者鼻子，不管是DNA、RNA，蛋白质都不可能代表一种记忆。记忆在脑内到底是怎样一种藏法呢？大多数科学家认为记忆存储在大脑神经元的网络上。
大脑的结构很复杂的，人脑由140亿个神经元组成，据说比银河系所有星星的数量还多，更复杂的是每个神经元与神经元之间都有连接，在140亿个神经元的每个上面又有几万个连接，这就形成一个复杂的网络。
在与记忆密切相关的大脑结构中，“海马”(因其形似海马而得名)发挥着举足轻重的作用，它负责将人们新的经历转化为长期的记忆。
海马对记忆的重要作用早在1957年就被科学家发现了。当时有个病人叫H·Ｍ，年幼时摔了一跤后患上癫痫，27岁的时候必须要做切除手术。癫痫就是正常神经元的“发疯”，过量地放电，这个病人的癫痫正好在“海马”区域，只要把这块发病细胞拿掉就可以治愈癫痫。但这个病人的双侧海马都有问题，所以把他的双侧海马都拿掉了。医生发现每次回来复诊的时候，H·Ｍ都会向医生重新作自我介绍，就让医生觉得奇怪。结果进行了系统的分析以后，发现H·Ｍ的长时记忆都没有问题，暂时记忆都很好，只是不能把新的暂时记忆变成长时记忆。
这个发现相当于告诉所有研究记忆的科学家，“海马”是多么神秘的地带。
1999年，钱卓和其领导的研究小组正是通过调节小鼠的海马和前脑中的NR2B基因，在美国普林斯顿大学制造了著名的“聪明鼠”，揭示了学习与记忆过程中的重要分子机制。
但是究竟什么是记忆，聪明鼠究竟如何储存信息，形成记忆，并且在此后提取自己的记忆并且表达信息，这成为研究组一直思考的问题。
神经元网络的运动轨迹
2002年，林龙年决定通过了解小鼠在环境中遇到强烈刺激时大脑皮层神经元的反应，来测试小鼠大脑中海马区究竟如何形成记忆，并在此后提取这一记忆。
海马脑区是小鼠大脑中掌管学习和记忆的最主要的区域，只有半粒米大小，在它的CA1细胞层大约有紧密排列着20到30万个神经元，每个神经元之间还会形成不同形式的神经元网络。同时海马区又是所有动物的大脑中都存在的，并且有着相似的结构，承担同一功能。
“我们猜想，大脑中会有许多神元参与这些记忆的编码，所以我们想通过巧妙的实验设计和最新的技术相结合，来探索大脑中记忆编码的奥秘。”林龙年说。
多通道在体记录技术的出现，使得林龙年和他的同事们研究成为可能。
这种技术在时间和空间的分辨率都很高：在时间上可以缩短到毫秒级，这个正是神经元细胞单位运动的时间；空间上可以针对单个神经元细胞，一个神经元细胞的直径是20微米左右。林龙年动手研制了世界上最轻巧的96-通道微电极驱动装置，将96根比头发还细得多的微电极悬浮于要研究的小鼠脑细胞之上，可以避免将小鼠所有脑细胞杀死，同时观察到小鼠海马区260个神经元组成网络的运动情况。而过去记录小鼠神经元活动的最高纪录是40多个，电极个数的最高纪录也只有10多个。
小鼠头上插着一个96-通道微电极驱动装置推进器，这是监控它大脑活动的“探头”。为了帮小鼠“减负”，科学家在这个推进器上方系了一个老虎形状的大气球，免得压得小鼠抬不起头来。这只小鼠正在自己的“窝”里玩玩具——几个木制的汽车、娃娃。从显示器上看，它的大脑神经元活动很平静，“咔嗒咔嗒”的神经元活动声也很均匀。
林龙年设计了三个强烈的刺激。
第一个实验如同武侠小说里夜黑风高的场景，小鼠被背后吹来的一阵冷风吓了一跳；第二个实验是小鼠被放在一个小盒子里，盒子快速地晃动，模拟地震时的振动；第三个实验就是自由落体实验，模拟坐过山车时的强烈刺激。
这三个实验在两个小时里依次进行，中间有间隔的时间，每种刺激反复给出7次。
在研究室的电脑屏幕上，神经元变化图密密麻麻地记录了小鼠刚才的所思所想。
海马区的神经元只有两种状态，要么活动要么不活动。小鼠在每次“历险”时，电脑上的神经元活动图像出现了强烈的反应：在所有260个神经元里，有的神经元放电频率变快，有的变慢，有的就停下来一段时间，表现了不稳定性。有15个神经元，给了同样的刺激，每个神经元的放电频率都在增加，增加的量都不一样，反应都不稳定。可以想象一下，在强烈的刺激下，小鼠的脑内好似产生了无数次的电闪，“劈劈啪啪”地跳跃不停。
这些不稳定的神经元的反应又说明了什么？
发现记忆编码
单个神经元怎么来编码，这是个很难回答的问题。林龙年考虑到了一个多神经元编码的可能。他把有反应的神经元都拿出来进行统计。
假如成组观察的话，林龙年发现它们的反应都很稳定：有的组的神经元只对吹冷气的实验有反应，有的组只对自由落体的实验有反应，而它们各自对其他组都没有反应。接着林龙年对每个组的神经元进行了编码，结果发现在反复刺激下，这样的编码永远不会重复，林龙年觉得这个结论可以作为大脑对外界活动的一个表征。
“其实，不管什么记忆，都不像我们以前认为的单个神经元在起编码作用，而关键是这个神经元是否参与这个事件的反应”。实验中，林龙年还发现一个有趣的现象，就是有一组特质神经元和惊恐刺激有关，他将它命名为“神经编码单元”。
简单地说，记忆编码是以单元活动的，而不是受某一个神经元的变化所控制。科学家们通过这些编码单元的激活与否，把每一种惊吓经历转化成一串二进制数字，这种数字化的编码形式使得他们能够对不同的个体乃至不同种群动物的大脑编码活动进行直接的比较和分析。
在分析了大量的神经元活动情况后，研究人员已经可以根据小鼠的神经元图谱，来推测它受到了哪种惊吓刺激。
据林龙年介绍，目前研究实验涉及的记忆刺激还很有限，只是惊恐方面的刺激，所观察到的神经编码单元也很有限，只有7-8个单元。科学家们还设想有很多其他的记忆单元，它们如果再继续组合，就形成了一种编码能力。
虽然目前实验对象只是小鼠，但林龙年说：“小鼠和人脑的差别主要在皮层方面，但底层结构是相同的，我们人类和小鼠的神经元编码方式是一样的。”所以如果能完全破解小鼠海马区学习和记忆的奥秘，那么对破解人脑的奥秘将大有帮助，甚至可以制造出具有人类思维方式的机器人，他们能够独立思考，懂得联想，甚至有情有义，而“聪明鼠”就是一个典型。