點亮神經元，尋找記憶痕迹

這項研究發現不同經歷（愉悅的和恐懼的）的記憶會通過內側前額葉皮層不同的神經元傳遞到不同的腦區（左上角是內側前額葉皮層，右下角的神經纖維分支投射向不同的腦區）。（南方周末資料圖/圖）

美國斯坦福大學德塞羅斯領導的一個科學團隊最近發現，在大腦一個叫前額葉皮層的區域中，有關愉悅經歷的記憶和有關恐懼、悲傷經歷的記憶是存儲在不同的神經迴路里的。這項研究成果有望在未來為抑鬱症等疾病的治療指明方向。

每個人都曾有過一些特別的經歷，其中有的令人愉悅，比如和愛人度過的一段美好時光；還有一些則可能令人傷感，比如罹患疾病的親人的離去。所有這些經歷都以記憶的形式鐫刻在我們的腦海里，難以忘懷，甚至刻骨銘心。那麼這些記憶是如何存儲在我們大腦里的呢？毫無疑問，這些記憶不可能憑空的存在，它們一定是存儲在某些實體里的。

科學家們通過大量的研究發現，記憶是以特定的形式存儲在大腦某些區域的神經元（神經細胞）構成的神經迴路（不同的神經元相互聯繫構成的信息傳遞「通路」）里的。可是你有沒有想過，不同特點經歷的記憶，比如令人愉悅的經歷和令人悲傷的經歷，是存儲在相同的神經迴路還是不同的神經迴路里的呢？美國的科學家最近在著名的學術期刊《細胞》上發表了他們的研究成果，揭曉了這個問題的答案。

領導這項研究的是斯坦福大學生物工程系和精神病學系的神經科學家卡爾·德塞羅斯（Karl Deisseroth）。他的研究組和來自斯坦福大學以及卡耐基梅隆大學的多個實驗室合作，把三種近年來發展起來的新技術（他在其中兩項技術的發明和應用中扮演著先驅性的角色）整合到了一起。利用小鼠進行實驗，科學家們最終發現在大腦一個叫前額葉皮層的區域中，有關愉悅經歷的記憶和有關恐懼經歷的記憶是存儲在不同的神經迴路里的。這項研究成果有望在未來為抑鬱症等疾病的治療指明方向。

「點亮」神經元

前額葉皮層大致位於我們大腦的腦門所對應的位置，這個腦區在各式各樣的複雜認知活動（比如注意、計劃、決策、記憶等）中扮演著重要的角色。要想研究不同的經歷在這個區域中的存儲情況，科學家首先需要想辦法知道在生物體經歷不同特點（比如愉悅和恐懼）的事件時，這個區域中哪些神經元會產生電活動，也就是說哪些神經元會對這些經歷有「響應」。

德塞羅斯使用了他的合作者、斯坦福大學的華人科學家駱利群的研究小組在2013年發明的一項叫做TRAP的技術。這一技術能夠用一種熒光蛋白把大腦中某個時間窗口內產生電活動的神經元「點亮」。

科學家在用於實驗的小鼠大腦中轉入了兩個基因。其中一個基因編碼的是一種熒光蛋白。這個基因的作用就是為小鼠神經元合成這種蛋白質提供「藍圖」。而合成出的這種蛋白質的作用則是「點亮」那些產生了電活動的神經元。為了只「點亮」那些在指定的時間窗口內產生電活動的神經元，科學家在這個基因的前面加了一個「開關」。在平時這個「開關」是處於關閉狀態的，這時即使神經元產生了電活動，也無法合成這種熒光蛋白，因此不會被「點亮」。

轉入小鼠的另一個基因負責的是打開這個「開關」。當產生電活動的時候，小鼠的神經元會合成這個基因所編碼的蛋白質。但是合成出的這些蛋白質是分布在神經元的細胞質里的，它們無法進入神經元DNA（細胞的基因位於DNA上）的「儲藏室」——細胞核里，因此也就無法打開「開關」進而「點亮」神經元。要想進入細胞核，這些蛋白質還需要一種藥物的幫助。通過在特定的時間向小鼠的大腦中注射這種藥物，科學家就能夠隨心所欲地設置他們希望的時間窗口。在進行實驗時，科學家會向小鼠大腦內注射這種藥物並對小鼠進行某種刺激，這種刺激可以是令小鼠感到愉悅的經歷，也可以是令小鼠產生恐懼的經歷。那些對這些刺激產生「響應」的神經元就會合成出這種「電工」蛋白。在藥物的幫助下，這些「電工」就能進入細胞核，打開（實際上是「拆除」掉）「開關」。沒有了「開關」的束縛，這些神經元就能合成出熒光蛋白，從而被「點亮」。科學家只需在實驗後處死小鼠，取出它們的大腦，就能研究哪些神經元對這些刺激產生了「響應」。

如果你覺得這些原理過於複雜，那麼想像一下這個簡單的類比：在一幢大樓（大腦）里，你希望了解哪些房間（神經元）在10點鐘（時間窗口）之後使用過冷氣（有過電活動）。那麼你只需要在10點前使大樓的總電閘處於關閉的狀態（處於關閉狀態的「開關」），然後在10點開啟電閘（注射藥物，開啟時間窗口），隔一段時間之後逐一檢查房間，那些室內溫度較低的房間（被熒光蛋白「點亮」的神經元）就是你要找的房間。

這項研究的領導者、著名神經科學家卡爾·德塞羅斯。（南方周末資料圖/圖）

透明的大腦

要想研究不同經歷的記憶在大腦中的存儲情況，只把相應的神經元「點亮」是不夠的。大腦不是透明的，科學家無法直接把大腦置於顯微鏡下，觀察那些大腦深處被「點亮」的神經元。

面對這樣的困難，科學家多數時候採取的策略是把腦組織切成一張張很薄的大腦切片，然後用顯微鏡對這些切片逐一進行觀察拍照。如果想要了解各種神經元在三維的大腦中的分布和相互聯繫，就還需要對這些結果進行三維重構。所有這些工作都非常的費時費力。

在這項研究中，研究人員並沒有選擇使用這種傳統的方法。他們使用了德塞羅斯實驗室在2013年發明的一種叫做CLARITY的技術。這種技術能夠把腦組織變得透明，使科學家無需進行切片就能對大腦深處的神經元進行觀察拍照，並且通過使用特別的顯微鏡技術，觀察和拍照的速度也被大大加快了。

在用熒光蛋白把小鼠大腦中相應的神經元「點亮」之後，科學家會首先對大腦進行一些必要的處理，然後用一種特殊的水凝膠將大腦變得透明。這種水凝膠中含有甲醛和一些在37度下能夠聚合成網狀大分子的小分子單體。其中的甲醛能夠作為「中介」把腦組織中的蛋白質、核酸等物質與這些小分子單體交聯到一起。隨後大腦會被置於37度下進行聚合反應，小分子單體就會聚合形成一層層的支撐網，為腦組織中的細胞提供支撐，保持它們的正常結構。

大腦之所以不是透明的，很大程度上是由於其中所含的脂肪，這些脂肪能夠阻止光穿透到大腦的深處。在科學家用水凝膠對大腦進行處理時，由於脂肪分子上缺乏相應的化學基團，因此不會被交聯到聚合而成的支撐網上。與此同時，由於有了一層層的支撐網來支撐神經元的結構，科學家也就可以放心地使用特別的溶液來洗掉大腦中的脂肪了。要徹底地去掉大腦中這些脂肪需要很長的時間，一個小鼠的腦在用水凝膠處理之後需要12-16天的時間才能徹底洗去脂肪。不過洗去脂肪後的效果也非常令人驚嘆：小鼠的大腦會變得幾乎完全透明！

不同走向的記憶

在把這兩種技術整合到一起之後，德塞羅斯實驗室的科學家對小鼠進行了不同特點的刺激。有的小鼠接受的是令它們感到愉悅的刺激——注射可卡因，而另一些小鼠接受的則是會令它們產生恐懼的刺激——電擊。在對小鼠的大腦進行了透明化處理之後，科學家用顯微鏡對那些前額葉皮層中被「點亮」的神經元進行了觀察拍照。

科學家的研究發現，兩種不同的經歷所「點亮」的神經元在前額葉皮層的一個分區——內側前額葉皮層中存在顯著的差別。在那些被注射了可卡因的小鼠中，被「點亮」的神經元很多都把自己的突觸（神經元的一隻長長的「觸手」，是神經元傳遞神經信號時的輸出端）投射（「伸」）向了一個叫伏隔核的區域；而那些被電擊的小鼠中，被「點亮」的神經元更多的則是把自己的突觸投射到了一個叫做外側韁核的區域。通過更進一步的分子生物學分析，科學家還發現這兩類被「點亮」的神經元中某些基因的活性情況也有所不同。

這些結果表明，在內側前額葉皮層中，被愉悅經歷「點亮」的神經元和被恐懼經歷「點亮」的神經元是兩群不同的神經元。換一句話說，在內側前額葉皮層這個區域，兩種不同經歷記憶的存儲和處理是通過不同的神經元來完成的，並且被傳遞到了大腦中不同的區域。

通過CLARITY 技術，科學家能夠將動物（包括人）的大腦變得幾乎完全透明(上圖)，進而研究大腦深處的神經元(下圖)。（南方周末資料圖/圖）

「捏造」記憶

為了進一步驗證這些發現，科學家們又從另一個方向進行了實驗：直接刺激活化這些細胞，看看會不會改變小鼠的行為。在進行實驗時，研究人員使用了另一項德塞羅斯參與開創的技術：光遺傳學。

這種技術的原理是在神經元的細胞膜上添加一扇「大門」（一種光敏感的離子通道），這扇「大門」能夠通過特定波長的光來控制開關。當用光照射並打開這扇「大門」的時候，由於細胞膜兩側存在電勢差（電壓），因此會有離子從細胞膜的一側流向另一側，最終導致神經元被活化，進而發放電信號。

科學家首先向小鼠的大腦中引入了這種「大門」的基因。和上文中「點亮」神經元的熒光蛋白的基因一樣，這個基因也必須要在產生了電活動的神經元中才會被開啟。因此這扇可光控的「大門」只會被添加到那些產生過電活動的神經元的細胞膜上。

在進行實驗時科學家首先會對小鼠進行訓練。以電擊的訓練為例，科學家會把小鼠關在一個籠子（籠子A）里，這個籠子的「裝修」風格很獨特，小鼠能夠很輕鬆地認出來。當被關在這個籠子里的時候，科學家會對小鼠實施電擊，經過多次訓練，小鼠會把這個籠子（籠子的「裝修」特點，比如豎條的牆紙）與電擊這一令它感到恐懼的經歷聯繫起來。在注射可卡因的訓練時，小鼠則會把這個籠子與愉悅的經歷聯繫起來。在訓練的過程中，可光控的「大門」也同時被添加到了內側前額葉皮層中那些產生過電活動的神經元上。

經過多次訓練之後，科學家便開始對小鼠的記憶進行檢測。這時科學家會為小鼠提供兩個籠子，供它選擇。小鼠可以自由地進出這兩個籠子，想待在哪裡就待在哪裡。在兩個籠子中，有一個是訓練時使用的籠子A，另一個則是「裝修」風格完全不同的籠子B，因此小鼠能夠輕鬆地區分出這兩個籠子。科學家會通過計算小鼠待在兩個籠子里的時間的比例來評估小鼠對籠子的偏好。

不難想像，那些接受注射可卡因的小鼠會更偏愛待在籠子A里，而那些接受電擊的小鼠則更喜歡待在籠子B里（兩種情況下小鼠都不是只待在一個籠子里，而只是偏愛待在其中一個籠子里）。可是當注射了可卡因的小鼠進入籠子B的時候，如果科學家用光纖（事先通過手術植入到了小鼠大腦里）照射內側前額葉皮層，這些小鼠就會變得比平時更願意待在籠子B里；同樣的，如果在接受過電擊的小鼠進入籠子B時用光進行照射，這些小鼠就會變得不太願意待在籠子B里。這樣的結果說明，通過用光刺激活化小鼠內側前額葉皮層中的不同神經元，科學家成功地「捏造」出了一段記憶：對那些注射了可卡因的小鼠來說，它們並沒有在籠子B中經歷過什麼令它們愉悅的事情，但它們卻變得更愛待在裡面了；而對那些接受過電擊的小鼠來說，籠子B也並不是什麼傷心地，但它們卻變得不願意待在裡面了。

整項研究的結果表明，不同特徵經歷的記憶是在不同的神經迴路中儲存和傳遞的。這項研究不僅加深了科學家對不同經歷在大腦中存儲和處理方式的理解，而且還有著很強的應用前景。此前的研究發現，很多精神疾病與前額葉皮層的異常都存在著關聯。這就意味著，如果搞清楚這個腦區在過往經歷的存儲和處理中扮演的角色，科學家也許就能對這些疾病進行精準的治療，比如「抹掉」那些不堪回首的記憶，減輕抑鬱症患者的痛苦；或者對特定的神經元進行操控，幫助有毒癮的人逐漸戒毒。隨著神經科學研究的不斷深入，新穎而強大的研究工具的不斷湧現，這些應用或許離我們並不遙遠。

大腦深處的神經元（南方周末資料圖/圖）

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