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日津津有味地阅读同一张旧报纸,而自己还觉得是在看新闻。1999年,钱卓和其领导的研究小组正是通过调节小鼠的海马和前脑中的NR2B基因,在美国普林斯顿大学制造了著名的“聪明鼠”,揭示了学习与记忆过程中的重要分子机制。
那么,记忆在神经网络的层次上又是如何编码的呢?换句话说,记忆在大脑中的物理形式是怎样的呢?为了获得这个对揭示大脑工作原理至关重要的答案,林龙年与钱卓一起运用最新的高密度多通道在体记录技术,以小鼠为对象进行了一系列的研究。
小鼠海马脑区只有半粒米大小,在它的CA1细胞层大约有紧密排列的20万至30万个神经元,为了尽可能多的观测到单个神经元的活动情况,研究小组研制了世界上最轻巧的精细微电极推进器,把96根比头发还细得多的微电极插入小鼠的海马区域,成功地记录到了多达几百个神经元的活动情况,而传统的方法在小鼠上只能记录到几个至二十几个神经元。“这一步非常重要,”林龙年介绍说,“假如只能观察到几个神经元,就谈不上是对神经元群体的编码进行分析。”
接下来,研究人员设计了几种新颖的行为模式来研究小鼠的神经编码,一种是在特定环境中给小鼠背部突然吹上一阵冷风,小鼠对这样的刺激会感到惊恐。另一种有趣的模式是,把小鼠放在特制的小电梯中做自由落体下降,小鼠对这种极其刺激的经验也会印象深刻。“由于这些经历能够产生令人难忘的记忆,我们猜想大脑中会有许多神经元参与这些记忆的编码,因此我们希望通过巧妙的实验设计与新记录技术的结合,来探索和破译大脑编码的奥秘。”钱卓说。
其后的实验观察发现,在海马的神经元网络中有许多神经元对这种惊吓刺激果然有着各种各样的放电反应。根据它们的反应特征,研究人员发现这些神经元组成了记忆编码的神经网络单元。更有意义的是,这些编码单元通过它们的激活状态可以把任何一种惊吓经历转化成一串二进制数字,这种数字化的编码形式使得科学家们能够对不同的个体乃至不同种群动物的大脑编码活动进行直接的比较和分析。
“大脑记忆系统这种精美的操作设计令人叹服,我们认为大脑很有可能利用同样的原理来完成其他一系列的高级认知功能。”钱卓说,“这项研究工作得到了国家‘973’项目、教育部和上海市的支持,同时为华东师大脑功能基因组学研究所今后在脑认知科学的前沿领域进行进一步探索提供了坚实的基础。”
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