大脑深处有细胞在盖时间戳——研究者们正在解开记忆的“时间”之谜

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图片来源：pixabay 我们的大脑是如何知道“这件事”是紧接着“那件事”的呢？两人从相遇、相爱到永远幸福地生活在一起（单身狗有时可能没有这么好的运气），这个顺序是这么自然，有条不紊。而我们脑中的事件顺序可能和时间细胞有关。之前已有研究表明这种细胞存在于人脑的海马体（hippocampus）中。大脑如何在有时间间隔的情况下记清事件的先后顺序呢？今天介绍的这项研究为该现象的机制提供了证据。随着相关领域进展，未来我们或许能获得一些修复或增强记忆的策略。 这项研究主要关注“情景记忆”（episodic memory），即记忆过去经历“什么时候发生”、“在哪里发生”、“发生了什么”的能力，比如回想今天早上醒来时做了什么。而研究的其中一个重点就是识别大脑形成这些记忆的机制。 Leila Reddy是法国国家科学研究中心（French National Center for Scientific Research）的一名神经科学研究员。以他为首的团队致力于探寻人脑海马体中神经元在学习（图片序列）过程中表征时间信息的机制，进而解答人脑中时间细胞功能的谜题。Reddy和她的同事发现，为了给经历的每个时刻编码，人脑的时间细胞会在每个任务中不断放电，这项研究在2021年夏天发表在《神经科学杂志》上。 这项研究进一步确认了时间细胞分布在海马体内，而海马体是记忆加工的关键部位。当人们试图回忆事件的时间顺序时，它们便会被激活。“这些神经元在大脑提取记忆的过程中发挥了重要作用，了解编码时间和记忆的机制是一个重要的研究方向。”Reddy说道。 Matthew Self是荷兰神经科学研究所（Netherlands Institute for Neuroscience）视觉与认知部门的高级研究员，也是这篇研究文章的一位作者。他强调，在将经历编码成记忆的过程中，海马体中的时间细胞起了重要作用。他说：“当我们回忆时，不仅能记起发生了什么，也能记起何时何地。我们认为时间细胞可能是编码记忆时间顺序的基础。” 尽管几十年前研究者们就在啮齿类动物的大脑中发现了时间细胞，但在2020年底，得克萨斯州西南医学中心（University of Texas Southwestern Medical Center）的研究者们才第一次在人脑中发现时间细胞。为了更好地了解这些细胞，Reddy和她们团队检测了癫痫病人脑中的海马体活动（医生会在癫痫病人脑中放置电极，以寻找异常放电的病灶，确定手术治疗方案）。病人们同意在手术后参加两个不同实验。

图片来源：pixabay 手术过程中，医生会在病人的头骨上打出直径约2mm的小孔，向脑中植入电极后封上小孔。病人术后恢复后，会在癫痫监测病房内接受长达两周的监测（直到癫痫的发病次数足以确定病灶位置）。大约在术后一周时，研究人员对病人进行下面的两项试验，并监测他们执行任务时海马体神经元的活动。 第一个实验中，研究者们给参与者看了五到七张不同人或场景的图片，它们的顺序是预先设定好的，而且会重复多次。举个例子，参与者们可能会先看到一张花的图片，1.5s后图片消失，经过0.5s的间隔，屏幕上就会出现下一张图片。在整个过程中，有随机20%的间隔后不会继续呈现后续图片，而是出现两张图，参与者需辨认哪张是之前顺序中的下一张图片。整个过程中图片序列有60次重复，研究者们发现，所有的时间细胞都在测试之间的特定时刻放电，不管这张图片是什么。 第二个实验大致相同，只不过在重复达到一定次数后，参与者的屏幕会变黑10s，这个间隔是用来干扰参与者记忆。图片顺序只重复30次，有一半参与者会在每五次重复后遇到这个间隔（共6次），而另一半参与者会在每两次重复后遇到这个间隔（共15次）。 在第二次试验中，参与者们会被问及图片的顺序，此时他们大脑细胞的电活动也会被记录。在参与者看到不同的图片时会有不同的神经元放电。受到相应图片激活的时间细胞，在参与者看到黑屏时也仍然放电。而这些间隔似乎能帮助参与者们记住更多图片和正确的顺序。在这些间隔中，约27%的时间细胞会被激活。 为了弄清时间信息是否贮存在海马体神经元的放电活动中，研究者们刺激了一组时间细胞，这组细胞在参与者们看到图片时会被激活。他们为单个神经元的放电活动建立了数学模型，相关因素包括时间、图像一致性，以及时间周期是否与一张图像或刺激间间隔（即每张图片间的0.5s间隔）周期相对应。 此外，研究人员发现，基于整组神经元的活动也可以解码不同时刻，而这也正是人脑存在时间细胞的证据。“我们发现有些时间细胞在两种不同任务切换时活动，而有些在全过程一直都在放电。参与者的时间细胞在不停活动着，贯穿整个试验过程，为每个事件盖上了时间戳。”Self说道。然而事实上这些细胞也同时记录了我们记忆的内容（即“我们做了什么”以及“什么时候做的”），这让真相变得越加复杂。他解释道：“我们还没完全理解记忆编码过程，但是海马体的活动方式似乎同时提供了经历的时间和内容。”

图片来源：pixabay Self认为时间信息和经历的内容都整合在了一个信号中，但是相关机制还需要更多研究来探索。“如果您记起最初看见了您的朋友但是没有记起‘他在超市旁边走动’这一编码事件所需的背景信息，那您往往也记不清这是什么时候发生。我们未来的研究旨在理解时间信息与内容信息两者是如何结合并最终形成记忆的时间结构的。”他说道。 这个结果似乎和之前大鼠实验的结果相似，提示了时间细胞同样也是“内容细胞”，它们对同一个刺激做不同方面的信息提取，既编码时间也编码内容。“大鼠海马体中的时间细胞也是记录大鼠所处位置信息的地点细胞。看来海马体细胞是多维度的，它们通过不同放电方式来编码我们经历的不同方面。” Stefan Leutgeb是加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California,San Diego）神经科学系主任，他认为这篇论文解答了人类时间细胞的关键问题。“这个研究做了一系列重要贡献。最主要的是，它验证了时间细胞不仅仅存在啮齿类动物海马体中，并且以较高的比例存在于人类海马体中。实际上，这项研究发现人脑中时间细胞的比例比之前发现的要高。”Leutgeb说道。 这项发现也许能解释为什么有些某一脑半球的海马受损的人能记起发生的事，却记不清它们的正确顺序，这也是阿尔兹海默症和其他神经退行性疾病患者们面临的一个问题。“幸运的是，能够清楚这些细胞在记忆过程中做的贡献，让我们更有可能明确某些疾病记忆功能损伤的原因及治疗方法。”奥斯陆大学（University of Oslo）生理系副教授Jørgen Sugar说道。 研究者们希望进一步加深对该领域的研究。Bradley Lega是德克萨斯大学西南医学中心的神经外科副教授，也是首次发现人脑存在时间细胞的研究的通讯作者。他说：“下一步是开发调控时间细胞活动及其通路的方法，为记忆恢复或增强提供神经调控策略。研究者们可以监测时间细胞的活动，以明确在施加电脉冲这一过程中发生了什么。” 一些科学家认为这项研究在未来可以辅助人类开发“人造记忆”技术——在脑内放置电极，然后通过电脑插入或删除记忆。这项技术可能会引发有关操纵记忆的伦理问题，但其实现之日还非常遥远。 这种可能实现的技术可以用于治疗创伤后应激障碍或阿尔兹海默病。Jørgen说：“开发出能插入或删除记忆的仪器真是令人兴奋，但是我也不知道该如何管控这些技术以防止恶意使用（比如插入虚假记忆或删除重要记忆）。相比之下，我认为集中精力来预防记忆障碍的发生更为合理。” 他还说道：“我希望，这些以人为对象的研究能帮助我们了解人类时间细胞在编码记忆和回忆某个瞬间时起的作用。这项新兴研究将会帮助我们了解大脑如何分清记忆的时间顺序，那时全人类都会为之振奋。” 撰文：Abdulrahman Olagunju，科普文章作者与尼日利亚伊巴丹大学高级医学研究所毕业研究生。 翻译：孙正杰 审校：安君 引进来源：科学美国人

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