科技行者
大腦活動中的特定模式，目前被廣泛認(rèn)定為各類精神能力(例如記憶力)中特定實現(xiàn)或計算過程的重要基礎(chǔ)。近期，其中一種符合模式分類的短波形調(diào)頻振蕩脈沖“腦信號”——即“尖波紋波”，受到學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。
研究人員最初發(fā)現(xiàn)，海馬體中的波紋區(qū)是一個重要的記憶與導(dǎo)航功能區(qū)，其負(fù)責(zé)在人類睡眠期間將短期記憶轉(zhuǎn)移至長期記憶當(dāng)中。以此為基礎(chǔ)，加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)科學(xué)家們進行了一項由Loren Frank以及布蘭迪斯大學(xué)Shantanu Jadhav領(lǐng)導(dǎo)的研究，并證明波紋區(qū)在人類清醒時同樣會在記憶層面發(fā)揮作用。研究人員們利用電脈沖破壞嚙齒動物大腦中的波紋區(qū)，并證明通過這種方式，動物的記憶能力確實有所下降。然而，長久以來一直沒有人嘗試通過操作波紋區(qū)的方式增強記憶力。本次實驗，成功填補了這一空白。
來自紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Gy?rgy Buzsák領(lǐng)導(dǎo)一個研究員小組達(dá)成了這項目標(biāo)。在今年6月14日發(fā)表在《科學(xué)》雜志中的論文中，該研究小組表明，拉長大鼠海馬區(qū)內(nèi)的尖波紋波能夠顯著改善它們在迷宮尋路場景中的表現(xiàn)——順帶一提，這種尋路任務(wù)主要考查對象的記憶能力，大腦類似于“便箋簿”，負(fù)責(zé)對路徑信息進行動態(tài)組合與操控。并未參加此次研究的Jadhav表示，“這是一項非常新穎且極具影響力的研究。以這種精準(zhǔn)的方式對生理過程進行「功能賦予」操作無疑是個極為困難的挑戰(zhàn)。”而除了提示波紋如何促成特定記憶流程的更多新細(xì)節(jié)之外，這項工作最終還可能在治療記憶與學(xué)習(xí)能力障礙方面產(chǎn)生積極的影響。
研究人員最初檢查從大量實驗當(dāng)中獲得的、存儲在數(shù)據(jù)庫中的大鼠迷宮尋路腦波波紋屬性。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些老鼠被迫穿越迷宮時，它們往往只會在沿著軌道探索或者跑動時生成時間更長的波紋。而在迷宮當(dāng)中導(dǎo)航，無疑需要調(diào)動老鼠的記憶能力。
在M-maze這項任務(wù)當(dāng)中，接受訓(xùn)練的大鼠首先需要通過“M”形迷宮的右翼并在成功后獲得糖果獎勵;接下來，大鼠還需要尋找通過左翼部分的通路。研究人員們發(fā)現(xiàn)，與無法找到出路的大鼠相比，那些能夠順利完成測試的大鼠在試驗中出現(xiàn)了明顯更長的腦電波紋。Buzsáki表示，“我們可以在大腦當(dāng)中記錄到一種非常簡單的電子模式，并判斷動物的表現(xiàn)是否良好，或者說動物是否正在學(xué)習(xí)。”相關(guān)研究結(jié)果表明，在記憶密集型活動當(dāng)中，海馬體會產(chǎn)生更長的波紋，而這些時延較長的信號確實會改善記憶能力。
為了驗證時延更長的波紋是否有助于提高記憶能力，該團隊人為延長了執(zhí)行M-maze任務(wù)的大鼠腦電波波紋。研究人員們利用光遺傳學(xué)技術(shù)，通過光纜傳輸?shù)墓庾釉诨驅(qū)用婕せ畲笫蠛ｑR體中的光敏神經(jīng)元。他們在任務(wù)期間記錄了海馬體內(nèi)的集體神經(jīng)活動，確保能夠追蹤自發(fā)出現(xiàn)的波紋。當(dāng)檢測到波紋時，研究人員又觸發(fā)光脈沖以激活這些基因工程處理后的神經(jīng)元。這種“閉環(huán)”刺激基本上能夠使波紋的持續(xù)時間加倍，而且與不加光刺激或者在短暫隨機延遲后施加刺激的對照條件相比，大鼠的任務(wù)執(zhí)行能力得到了顯著改善。
在這種情況下，大鼠的路線記憶學(xué)習(xí)速度更快，正確率達(dá)到80%，因此能夠比對照組大鼠更快獲得獎勵。研究人員還通過利用高強度光脈沖中止波紋來關(guān)閉這種增益效果，并證實記憶能力也會同步下降。Frank表示，“很高興能夠看到其他團隊采取略有區(qū)別的作法并得到相同的結(jié)果。這種可重復(fù)性驗證讓我們更有信心沿著這個方向繼續(xù)研究下去。”
為了研究波紋的持續(xù)時間能夠在何種程度上增強記憶能力，該研究小組還檢查了所涉及神經(jīng)元的特性變化。他們發(fā)現(xiàn)波紋不僅僅是隨著時間推移振蕩相同神經(jīng)元的重復(fù)活動;相反，隨著信號的持續(xù)，其活動會擴散到更多神經(jīng)元當(dāng)中。
研究小組觀察到，特定神經(jīng)元往往傾向于在信號的早期或晚期“發(fā)射”，而且這兩類情況之間存在著某種有趣的差異。其中“早期”神經(jīng)元是具有高基準(zhǔn)活性的“喋喋不休型神經(jīng)元”，而“晚期”神經(jīng)元則更緩慢且平均活動性更低。Buzsáki解釋稱，“快速發(fā)射的神經(jīng)元類似于健談的人，他們在大多數(shù)情況下都很活躍。另一種神經(jīng)元則類似于比較沉穩(wěn)的人，他們雖然說得不多，但每次發(fā)言都有重要的見解提出。”
海馬體當(dāng)中包含專門用于導(dǎo)航的神經(jīng)元，被稱為“位置”細(xì)胞，其在動物身處特定位置時會被觸發(fā)。研究人員們發(fā)現(xiàn)，在長波紋的后期(無論是自發(fā)延長還是人為延長)，所觸發(fā)的神經(jīng)元則更多與位置相關(guān)，而且這些觸發(fā)點往往位于迷宮的左、右翼部分。此前的研究表明，波紋的一大功能可能是“重播”記憶內(nèi)容。新的發(fā)現(xiàn)支持了這一觀點，并認(rèn)為延長波紋將能夠引入額外的神經(jīng)元以產(chǎn)生信號，且其活動與當(dāng)前任務(wù)密切相關(guān)。Jadhav解釋稱，“在延長波紋的持續(xù)時間時，大腦可能會重新激活動物腦部用于選取路徑的細(xì)胞。這種機制可能會對動物認(rèn)知系統(tǒng)當(dāng)中的所有可行路徑進行搜索，由大腦其它區(qū)域讀取其結(jié)果并采取行動。”
研究人員希望這項工作最終幫助醫(yī)療行業(yè)開發(fā)出多種治療方案，從而應(yīng)對與年齡相關(guān)的認(rèn)知衰退或者阿爾茨海默病中出現(xiàn)的記憶障礙問題。此外，學(xué)習(xí)困難癥也有可能因此得到解決。不過此次實驗當(dāng)中使用的技術(shù)較難應(yīng)用于人類，因為其采取侵入性操作并涉及遺傳變更。但Buzsáki表示他們正在研究非侵入性方法。最近由波士頓大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Robert Reinhart領(lǐng)導(dǎo)的一項最新研究表明，其能夠通過向老年參與者頭皮位置施加微弱的電流以改善記憶能力，期間觀察到不同皮層之間的某些(θ)頻率振蕩出現(xiàn)了更高的同步性。Reinhart指出，“Buzsáki團隊出色的工作成果與我們實驗室中的研究之間，存在著不少有趣的關(guān)聯(lián)點。系統(tǒng)與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究正在奠定其它關(guān)鍵性基礎(chǔ)科學(xué)的基石，這可能會為預(yù)防以及治療腦部疾病開辟出一條全新的、基于回路的治療道路。”
各類現(xiàn)有非侵入性方法——例如經(jīng)顱磁刺激(簡稱TMS)以及Reinhart研究當(dāng)中使用的經(jīng)顱電刺激(簡稱TES)技術(shù)——的問題在于它們無法穿透大腦，因此很難對腦部深處海馬區(qū)內(nèi)的信號進行操縱。另一方面，以非侵入式方法記錄大腦深處的信號同樣困難重重。目前一種可能的方法，在于從大腦表面所能記錄到的活動當(dāng)中推斷出海馬體腦電波紋何時發(fā)生。Frank表示，“在波紋出現(xiàn)之前，可能會首先出現(xiàn)一種非常具體的前額葉活動模式，其可作為預(yù)測海馬體內(nèi)波紋產(chǎn)生的依據(jù)。但我們還沒有真正弄清這種前額葉活動的細(xì)節(jié)。”
另外，利用這些技術(shù)操縱大腦皮質(zhì)也有可能影響到海馬體中的實際活動。Buzsáki指出，“我們都知道，這些尖波紋波可能會受到特定外來皮層活動模式的影響。事實上，已經(jīng)有不少企業(yè)在嘗試通過改變新的皮質(zhì)活動模式以影響記憶力。”最終，我們可能會通過用于檢測并治療癲癇疾病發(fā)作的植入物這一侵入性方法，對人類腦部的波紋進行檢測或者操縱。此外，將侵入性與非侵入性方法加以結(jié)合同樣值得一試。Frank總結(jié)稱，“只要我們能夠測量這些信號并想出辦法加以操縱，那么整個人腦系統(tǒng)將有望更好地運作。這里，蘊藏著一個充滿可能性的未知世界。”
