大腦如何將時間和地點編碼到記憶中?甚至還能預測即將發生的事件?

大腦如何將時間和地點編碼到記憶中?甚至還能預測即將發生的事件?
Photo Credit: Robina Weermeijer @Unsplash

我們想讓你知道的是

大腦是如何處理記憶的呢?根據研究指出,時間細胞(time cells)使大腦能夠正確「標記」記憶中事情發生的先後順序,此外甚至可以預測即將發生事件或結果。

文:Chloe

最近發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)和《科學》(Science)雜誌,由德克薩斯大學西南分校的研究人員領導的兩項研究,為「大腦如何將時間和地點編碼到記憶中?」提供了新的論述。這些發現,不僅增益了腦科學研究,而且可能為新療法提供基礎,用以對抗創傷性腦損傷或阿爾茨海默病等疾病造成的記憶喪失。

大腦編碼和回憶時,腦細胞會出現特有的活動模式

大腦是如何把時間和地點編碼,最後儲存在我們記憶當中的呢?大約在十年前,研究人員在老鼠身上發現了一組被稱為「時間細胞(time cells)」的神經元。這些細胞似乎在記錄事件發生時,有著獨特的作用,使大腦能夠正確「標記」記憶中事情發生的先後順序。而這些細胞就位於大腦的海馬迴中,當動物大腦編碼和回憶事件時,這些細胞會表現出一種特有的活動模式。

UTSW神經外科副教授和PNAS研究的資深作者Bradley Lega醫學博士解釋說:「通過可重復的序列放電,它們讓大腦在事件發生時進行組織,這時發射的時間是由5赫茲的腦電波(稱為「θ波振蕩」)所控制的,整個過程都被稱為『進動』」。

記錄癲癇患者的大腦運作

Bradley Lega和他的同事,從德州大學西南分校彼得·奧唐奈大腦研究所的癲癇監測單位招募志願者,並在志願者腦中植入電極,由醫生移除志願者腦中會引起癲癇發作的受損部位後進行實驗,觀察志願者的海馬迴迴動。

Lega說:「植入電極到這些患者大腦裡頭,可以幫助他們的外科醫生精確地識別癲癇發作的部位,並提供有關大腦內部如何工作的資訊。」

研究人員記錄了27個志願者的大腦海馬迴活動

首先研究人員請志願者執行「自由回憶」的任務,裡頭包括在30秒內閱讀12個單詞,再做一個簡短的數學問題來分散他們的注意力,最後請他們在30秒當中盡可能的回憶之前的單詞。

最後研究小組驚人地發現,在志願者回憶時,他們的大腦不僅識別出了數量龐大的時間細胞,而且根據時間細胞的活躍程度,研究者甚至能預測個體需花多少時間把單詞聯繫在一起(這種現象被稱為「時間聚集」)。

Lega說:「多年來,科學家一直認為時間細胞就像膠水一樣,會將我們生活中所發生的事件記憶全部黏合在一起,這次的發現完全支持了這一項觀點。」

大腦可以預測即將發生事件或結果

在《科學》雜誌的第二項研究中,神經科學助理教授Brad Pfeiffer博士則將研究重心轉向研究位置細胞(也就是海馬迴,海馬迴的主要功能是記錄事件發生的地點)。

Pfeiffer解釋:「研究人員早就知道,當動物沿著它們『曾經』走過的路徑行進時,編碼路徑上不同位置的神經元會按順序觸發,就像時間細胞按時間事件的順序觸發一樣。」此外,當老鼠積極探索新環境時,位置細胞被進一步組織成「迷你序列」,就好像老鼠在虛擬掃描位置一樣,而這種類似雷達的掃描大約會在每秒進行8-10次,這被研究人員認為是大腦預測即將發生事件或結果的運作機制。

Pfeiffer和他的同事們,同樣在老鼠的海馬迴當中放置電極。然後讓老鼠探索兩個不同的地方:一個偌大廣場和一條長而直的軌道。

之後研究人員分析了老鼠們的海馬迴活動紀錄,發現當老鼠在空間中移動時,它們的神經元不僅表現出向前的、可預測的微序列,而且還表現出向後的、可追溯的微序列,然而這些前後序列會交替進行,每一個序列只需要幾十毫秒就能完成。

Pfeiffer說:「當這些動物在前進時,它們的大腦會不斷地預期接下來會發生什麼事和回憶剛剛發生了什麼事情,這兩者之間的大腦活動都在不到一秒的時間內完成。」

Pfeiffer和他的團隊目前正在研究這些細胞從大腦的其他部分接收到什麼輸入,而導致它們以這種前進或逆轉的模式行動。同樣,Lega補充說:「在過去的幾十年當中,有關大腦記憶的新發現呈爆炸式增長,現在,我們從動物上的發現完全可以幫助人們更瞭解神秘的大腦運作方式。」

參考資料

本文經明日科學授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:蕭汎如
核稿編輯:翁世航


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