科技行者操纵脑电波纹能改善人类记忆力

操纵脑电波纹能改善人类记忆力

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2019年6月18日 科技行者
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最近的研究表明,当记忆回路周边出现高频信号时,小鼠的认知能力得到有效改善。

来源:科技行者 2019年6月18日

关键字:脑电波纹 神经元网络

大脑活动中的特定模式,目前被广泛认定为各类精神能力(例如记忆力)中特定实现或计算过程的重要基础。近期,其中一种符合模式分类的短波形调频振荡脉冲“脑信号”——即“尖波纹波”,受到学术界的高度关注。 

 操纵脑电波纹能改善人类记忆力

研究人员最初发现,海马体中的波纹区是一个重要的记忆与导航功能区,其负责在人类睡眠期间将短期记忆转移至长期记忆当中。以此为基础,加利福尼亚大学旧金山分校的神经科学家们进行了一项由Loren Frank以及布兰迪斯大学Shantanu Jadhav领导的研究,并证明波纹区在人类清醒时同样会在记忆层面发挥作用。研究人员们利用电脉冲破坏啮齿动物大脑中的波纹区,并证明通过这种方式,动物的记忆能力确实有所下降。然而,长久以来一直没有人尝试通过操作波纹区的方式增强记忆力。本次实验,成功填补了这一空白。

来自纽约大学医学院的神经科学家György Buzsák领导一个研究员小组达成了这项目标。在今年6月14日发表在《科学》杂志中的论文中,该研究小组表明,拉长大鼠海马区内的尖波纹波能够显著改善它们在迷宫寻路场景中的表现——顺带一提,这种寻路任务主要考查对象的记忆能力,大脑类似于“便笺簿”,负责对路径信息进行动态组合与操控。并未参加此次研究的Jadhav表示,“这是一项非常新颖且极具影响力的研究。以这种精准的方式对生理过程进行「功能赋予」操作无疑是个极为困难的挑战。”而除了提示波纹如何促成特定记忆流程的更多新细节之外,这项工作最终还可能在治疗记忆与学习能力障碍方面产生积极的影响。

研究人员最初检查从大量实验当中获得的、存储在数据库中的大鼠迷宫寻路脑波波纹属性。他们发现当这些老鼠被迫穿越迷宫时,它们往往只会在沿着轨道探索或者跑动时生成时间更长的波纹。而在迷宫当中导航,无疑需要调动老鼠的记忆能力。

在M-maze这项任务当中,接受训练的大鼠首先需要通过“M”形迷宫的右翼并在成功后获得糖果奖励;接下来,大鼠还需要寻找通过左翼部分的通路。研究人员们发现,与无法找到出路的大鼠相比,那些能够顺利完成测试的大鼠在试验中出现了明显更长的脑电波纹。Buzsáki表示,“我们可以在大脑当中记录到一种非常简单的电子模式,并判断动物的表现是否良好,或者说动物是否正在学习。”相关研究结果表明,在记忆密集型活动当中,海马体会产生更长的波纹,而这些时延较长的信号确实会改善记忆能力。

为了验证时延更长的波纹是否有助于提高记忆能力,该团队人为延长了执行M-maze任务的大鼠脑电波波纹。研究人员们利用光遗传学技术,通过光缆传输的光子在基因层面激活大鼠海马体中的光敏神经元。他们在任务期间记录了海马体内的集体神经活动,确保能够追踪自发出现的波纹。当检测到波纹时,研究人员又触发光脉冲以激活这些基因工程处理后的神经元。这种“闭环”刺激基本上能够使波纹的持续时间加倍,而且与不加光刺激或者在短暂随机延迟后施加刺激的对照条件相比,大鼠的任务执行能力得到了显著改善。

在这种情况下,大鼠的路线记忆学习速度更快,正确率达到80%,因此能够比对照组大鼠更快获得奖励。研究人员还通过利用高强度光脉冲中止波纹来关闭这种增益效果,并证实记忆能力也会同步下降。Frank表示,“很高兴能够看到其他团队采取略有区别的作法并得到相同的结果。这种可重复性验证让我们更有信心沿着这个方向继续研究下去。”

为了研究波纹的持续时间能够在何种程度上增强记忆能力,该研究小组还检查了所涉及神经元的特性变化。他们发现波纹不仅仅是随着时间推移振荡相同神经元的重复活动;相反,随着信号的持续,其活动会扩散到更多神经元当中。

研究小组观察到,特定神经元往往倾向于在信号的早期或晚期“发射”,而且这两类情况之间存在着某种有趣的差异。其中“早期”神经元是具有高基准活性的“喋喋不休型神经元”,而“晚期”神经元则更缓慢且平均活动性更低。Buzsáki解释称,“快速发射的神经元类似于健谈的人,他们在大多数情况下都很活跃。另一种神经元则类似于比较沉稳的人,他们虽然说得不多,但每次发言都有重要的见解提出。”

海马体当中包含专门用于导航的神经元,被称为“位置”细胞,其在动物身处特定位置时会被触发。研究人员们发现,在长波纹的后期(无论是自发延长还是人为延长),所触发的神经元则更多与位置相关,而且这些触发点往往位于迷宫的左、右翼部分。此前的研究表明,波纹的一大功能可能是“重播”记忆内容。新的发现支持了这一观点,并认为延长波纹将能够引入额外的神经元以产生信号,且其活动与当前任务密切相关。Jadhav解释称,“在延长波纹的持续时间时,大脑可能会重新激活动物脑部用于选取路径的细胞。这种机制可能会对动物认知系统当中的所有可行路径进行搜索,由大脑其它区域读取其结果并采取行动。”

研究人员希望这项工作最终帮助医疗行业开发出多种治疗方案,从而应对与年龄相关的认知衰退或者阿尔茨海默病中出现的记忆障碍问题。此外,学习困难症也有可能因此得到解决。不过此次实验当中使用的技术较难应用于人类,因为其采取侵入性操作并涉及遗传变更。但Buzsáki表示他们正在研究非侵入性方法。最近由波士顿大学神经科学家Robert Reinhart领导的一项最新研究表明,其能够通过向老年参与者头皮位置施加微弱的电流以改善记忆能力,期间观察到不同皮层之间的某些(θ)频率振荡出现了更高的同步性。Reinhart指出,“Buzsáki团队出色的工作成果与我们实验室中的研究之间,存在着不少有趣的关联点。系统与认知神经科学的研究正在奠定其它关键性基础科学的基石,这可能会为预防以及治疗脑部疾病开辟出一条全新的、基于回路的治疗道路。”

各类现有非侵入性方法——例如经颅磁刺激(简称TMS)以及Reinhart研究当中使用的经颅电刺激(简称TES)技术——的问题在于它们无法穿透大脑,因此很难对脑部深处海马区内的信号进行操纵。另一方面,以非侵入式方法记录大脑深处的信号同样困难重重。目前一种可能的方法,在于从大脑表面所能记录到的活动当中推断出海马体脑电波纹何时发生。Frank表示,“在波纹出现之前,可能会首先出现一种非常具体的前额叶活动模式,其可作为预测海马体内波纹产生的依据。但我们还没有真正弄清这种前额叶活动的细节。”

另外,利用这些技术操纵大脑皮质也有可能影响到海马体中的实际活动。Buzsáki指出,“我们都知道,这些尖波纹波可能会受到特定外来皮层活动模式的影响。事实上,已经有不少企业在尝试通过改变新的皮质活动模式以影响记忆力。”最终,我们可能会通过用于检测并治疗癫痫疾病发作的植入物这一侵入性方法,对人类脑部的波纹进行检测或者操纵。此外,将侵入性与非侵入性方法加以结合同样值得一试。Frank总结称,“只要我们能够测量这些信号并想出办法加以操纵,那么整个人脑系统将有望更好地运作。这里,蕴藏着一个充满可能性的未知世界。”