研究人员实时观察记忆的形成
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为什么一个几十年不骑自行车的人可以跳上自行车，然后毫不犹豫地骑走，但可能只记得三年级班上的一两个名字?
这可能是因为身体技能(被神经科学家称为运动记忆)在我们大脑中的编码与我们对名字或事实的记忆不同。
现在，吴仔神经科学研究所的科学家们进行的一项新研究揭示了运动记忆是如何形成的，以及为什么它们如此持久。它甚至可能有助于阐明运动障碍的根本原因，如帕金森氏症。
“我们认为电动机的记忆是独一无二的，”神经外科和神经学副教授丁俊说。“一些关于阿尔茨海默病的研究包括了之前是音乐家的参与者，他们不记得自己的家人，但他们仍然可以演奏优美的音乐。显然，运动记忆的形成方式存在巨大差异。”
记忆被认为是在大脑中以数百或数千个神经元网络的活动模式编码的，有时分布在遥远的大脑区域。这种记忆痕迹(有时被称为记忆印记)的概念已经存在了一个多世纪，但确切地识别印记是什么以及它是如何编码的被证明是极具挑战性的。先前的研究表明，某些形式的学习会激活特定的神经元，当回忆起所学的记忆时，这些神经元会重新激活。然而，记忆印迹神经元是否存在于运动技能学习中尚不清楚。
丁和博士后学者理查德·罗斯(Richard Roth)和黄福俊(Fuu-Jiun Hwang)想知道这些印痕状的细胞群是如何参与学习和记忆一项新的运动技能的。
罗斯说:“当你刚开始学习投篮时，你每次投篮都会使用一组非常不同的神经元，但当你变得更好时，你会使用一组更精细的神经元，每次都是一样的。”“这些精细的神经元通路被认为是记忆印记的基础，但我们想确切地知道这些通路是如何出现的。”
在他们的新研究中，发表于2022年7月8日神经元在美国，研究人员训练老鼠用爪子通过一个小槽够到食物球。利用吴仔神经科学研究所生物系的同事罗立群实验室开发的基因魔法，研究人员能够识别大脑运动皮层(负责控制运动的区域)中的特定神经元，这些神经元在学习过程中被激活。研究人员用荧光标记物标记了这些潜在的印记细胞，这样他们就可以看到它们是否也在稍后的回忆记忆中发挥了作用。
当研究人员在几周后测试这些动物对这项新技能的记忆时，他们发现那些仍然记得这项技能的老鼠显示出在学习期间首次识别出的同一神经元的活动增加，这表明这些神经元负责编码这项技能:研究人员观察到了记忆印记的形成。
但这些特殊的神经元群是如何首先承担起学习新任务的责任的呢?它们是如何提高动物的表现的呢?
为了回答这些问题，研究人员拉近了距离。他们使用双光子显微镜观察这些活动的电路，观察到所谓的“记忆神经元”在老鼠学习时重新编程。运动皮层的印迹细胞接受了新的突触输入——潜在地反映了到达运动的信息——并且它们自己在一个叫做背外侧纹状体的遥远的大脑区域形成了强大的新的输出连接——这是一个关键的中转站，通过它，印迹神经元可以对动物的运动施加精细的控制。这是第一次有人观察到在相同的神经元群上——在输入和输出水平上——在这两个大脑区域产生新的突触通路。
追踪在老鼠大脑中形成的新记忆的能力使研究团队能够对技能如何储存在大脑中这个长期争论的问题进行权衡:它们是由一个中央记忆痕迹或印记控制的，还是记忆冗余地存储在许多不同的大脑区域?尽管这项研究不能否定集中记忆的观点，但它确实为相反的理论提供了可信度。另一个有趣的问题是，在完成已经学习过的运动任务时，是否需要激活这些印迹神经元。研究人员推测，通过抑制已被确定为运动皮层记忆印记一部分的神经元的活动，小鼠可能仍然能够完成任务。
“把记忆想象成高速公路。如果101和280都关闭了，你仍然可以从旧金山到斯坦福，只是花的时间要长得多。”
这些发现表明，除了分散之外，运动记忆是高度冗余的。研究人员说，当我们重复学到的技能时，我们会通过建立新的连接来不断加强运动记忆——完善技能。这就是所谓的“肌肉记忆”——一种精密的、高度冗余的运动记忆网络，使用如此频繁，以至于相关的技能似乎是自动的。
丁认为，这种不断的重复是马达持续存在的原因之一内存，但这不是唯一的原因。记忆持久性也可能受到与奖励相关的技能的影响，可能是通过神经递质多巴胺。尽管研究团队在这项研究中没有直接提及这一点，但丁磊此前在帕金森氏症方面的工作表明了这种联系。
丁说:“目前的想法是，帕金森病是由于这些运动印迹被阻塞，但如果它们真的丢失了，人们忘记了这些技能呢?”“记住，即使走路也是一种运动技能，我们都曾经学过，它可能会被遗忘。”
这是研究人员希望在后续研究中回答的一个问题，因为这可能是开发有效治疗运动障碍的关键。如果帕金森病是运动记忆障碍的结果，那么患者应该能够通过练习和加强这些运动技能来提高他们的运动能力。另一方面，如果帕金森症破坏了运动印迹并抑制了新印迹的产生——通过锁定运动印迹神经元研究小组在新的研究中观察到它们的突触连接，那么必须采取完全不同的方法来提供有效的治疗。
“我们的下一个目标是了解像帕金森氏症这样的运动障碍发生了什么，”丁说。“显然，我们离治愈还有很长的路要走，但如果我们想了解为什么运动技能会被疾病破坏，了解运动技能是如何形成的至关重要。”
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