記憶到底儲存在大腦的什麼地方？

所有的記憶存儲設備，從你的大腦到計算機的內存，都是通過改變物理性質來存儲信息的。130多年前，神經科學先驅、西班牙病理學家聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾首次提出，大腦通過重新安排神經元之間的連接——即突觸——的方式，來存儲信息。

自此之後，神經學家們就試圖理解與記憶形成相關的生理變化。不過，將突觸可視化並繪製其分布圖是一項不小的挑戰。首先，突觸非常小，而且緊密地聚集在一起——它們大約是標準臨床磁共振成像（MRI）所能看到的最小物體的100億分之一。研究人員經常用小鼠來研究大腦功能，而它們的大腦大約有10億個突觸，顏色和周圍組織一樣都是不透明或半透明的。

近日，生物科學和生物醫學工程的科學家開發了一種新的成像技術，讓我們能夠繪製記憶形成過程中的突觸。他們發現，形成新記憶的過程改變了腦細胞之間的連接方式。大腦的某些區域會產生更多的連接，而另一些區域則會失去這些連接。

此前，研究記憶的科學家更專注於記錄神經元產生的電信號。儘管這些研究已經證實，在記憶形成後，神經元會改變它們對特定刺激的反應，但研究人員無法確定是什麼驅動了這些變化。

為了研究大腦在形成新記憶時發生物理變化的過程，研究人員繪製了斑馬魚記憶形成前後的突觸三維地圖。他們選擇斑馬魚作為試驗對象，因為它們的大腦足夠大，擁有像人類一樣的大腦功能，但同時又足夠小和透明，可以更清晰地研究活體大腦。

為了在斑馬魚大腦內誘導新的記憶，研究人員使用了一種名為「經典條件反射」的學習過程。該過程包括同時將動物暴露在兩種不同類型的刺激下：一種是中性的刺激，不會引起動物的反應；另一種則是不愉快的刺激，動物會儘量躲避。當這兩種刺激同時出現的次數足夠多時，動物對中性刺激的反應就會與對不愉快的刺激一樣，表明它已經將這兩種刺激結合了起來，形成了聯想記憶。

在新研究中，研究人員使用紅外雷射輕輕加熱斑馬魚的頭部，作為一種不愉快的刺激。當魚甩尾時，可以認為是其想要躲避刺激的信號。如果魚在暴露於一種中性刺激——比如打開一盞燈——的時候甩尾，就意味著它回憶起了之前不愉快的刺激。

為了製作突觸的三維分布圖，研究人員對斑馬魚的神經元進行了基因改造，使它們產生能夠與突觸結合的螢光蛋白，從而使突觸變得可見。然後，他們用定製的顯微鏡對突觸進行成像，這種顯微鏡使用的雷射劑量比同樣使用螢光來成像的標準設備低得多。經過定製之後，這種顯微鏡對神經元造成的損傷要小得多，從而使研究人員能在不影響突觸結構和功能的情況下對其進行成像。

當研究人員比較記憶形成前後的突觸三維圖像時，他們發現，背側大腦皮層的前外側區域的神經元產生了新的突觸，而在背側大腦皮層的前內側區域，大部分神經元則失去了突觸。這意味著新的神經元正在配對，而其他神經元的連接則會被破壞。此前的實驗表明，魚類的背側大腦皮層可能與哺乳動物的杏仁核類似，是儲存恐懼記憶的地方。

令人驚訝的是，與記憶形成有關的神經元之間的現有連接強度變化很小，與對照組中沒有形成新記憶的神經元之間的變化難以區分。這意味著，聯想記憶的形成會涉及突觸的形成和喪失，但與之前認為的不同，現有突觸的強度並不會必然發生變化。

這種觀察腦細胞功能的新方法不僅可以讓研究人員更深入了解記憶如何運作，還有望為治療創傷後應激障礙（PTSD）和成癮等神經精神疾病開闢潛在途徑。

聯想記憶往往比其他類型的記憶（比如有意識的陳述性記憶，如昨天午餐吃了什麼）要強烈得多。此外，經典條件反射誘發的聯想記憶被認為與導致PTSD的創傷性記憶類似。因此，與類似創傷時經歷的無害刺激會引發痛苦的回憶，例如明亮的燈光或巨大的噪音可以喚起戰鬥的記憶。這項新研究揭示了突觸連接可能在記憶中發揮的作用，並解釋為什麼聯想記憶比其他類型的記憶更持久、更生動。

目前，治療PTSD最常見的方法是暴露療法，即反覆將患者暴露在一個無害但卻能觸發刺激的環境中，從而抑制對創傷事件的回憶。在理論上，這一過程間接改造了大腦的突觸，使記憶不那麼痛苦。儘管暴露療法取得了一些成功，但PTSD患者很容易復發，表明導致創傷性反應的潛在記憶並沒有被消除。

目前，研究人員還不清楚突觸的生成和喪失是否真的推動了記憶的形成。阿諾德的實驗室已經開發出一種可以快速、精確移除突觸而不損傷神經元的方法，他們計劃用類似的方法去除斑馬魚或小鼠大腦的突觸，看看這是否會改變聯想記憶。

通過這些方法，我們或許可以從生理上抹去PTSD和成癮症等嚴重疾病的聯想記憶。然而，在考慮這種治療方法之前，編碼聯想記憶的突觸變化還需要被更精確地定義。而且，研究人員顯然還有更嚴重的道德和技術障礙需要解決。不過，在遙遠的未來，利用突觸手術消除不好記憶的前景還是很誘人的。