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记忆档案：大脑如何编码和复制记忆



一方面，人的大脑是可以理解的，另一方面，它充满了谜题和问题，尚无答案。在这里，一切都是合乎逻辑的，因为该系统在体系结构，正在进行的过程以及它们之间的关系方面都极为复杂。如果我们将大脑与经典计算机相比较，那么除了处理信息之外，它还执行存储。在某种刺激的影响下，任何记忆都将从记忆档案中删除：熟悉的香气，旋律，言语等。但是，问题仍然存在-该档案在哪里，以及对档案的开放有何贡献？ NINDS（美国国家神经疾病与中风研究所）的科学家研究了耐药性癫痫患者的大脑，以识别并试图解释提取记忆的机制。那我们怎么记得此刻大脑中发生了什么？为什么在癫痫患者的参与下进行这项研究？我们从科学家的报告中了解到这一点。走。

学习基础


首先，值得注意的是，不适合药物治疗的癫痫患者（不幸的是，药物不能抑制癫痫发作）是另一项研究的参与者，在该研究中，电极通过手术连接到他们的大脑以确定癫痫发作的机制。

这些电极的存在允许对记忆的并行研究，因为这种疾病与记忆之间的联系非常奇怪。研究人员回忆说，早在1957年，一部分癫痫患者就被切除了一部分大脑，以使他免于发作。但是该过程有严重的副作用-患者无法再形成新的记忆，即 他失去了情景记忆的机制。

从那时起，出现了一种理论，即情景记忆被保留或编码为神经活动的结构（模式）。当一个人面对某种刺激（熟悉的气味，声音等）时，大脑会复制这种活动，从而使他能够记住与这种刺激有关的东西。这让人想起在其上记录了存储器的记录的再现，并且在这种情况下，外部刺激起着演奏者​​的作用。然而，无论类比多么美丽，这个过程的机理仍然知之甚少。

以前，已经进行了旨在解释提取记忆的机制的研究。小鼠充当实验对象，科学家能够确定大脑可以以独特的动作电位序列存储记忆*。
* — , , .
科学家决定通过在人脑上进行相同的研究来检查啮齿动物研究结果的可靠性。对啮齿动物大脑，特别是内侧颞叶的活动的观察表明，当动物研究环境（在试验箱中）时，单个神经元会在序列中产生冲动，并且这些序列会在休息时（当动物不睡觉但具有特殊的身体活动时）复制。否）和睡眠期间。

高峰活动序列的再现被解释为记忆提取和巩固，以及计划机制的一部分。但这一切都在老鼠身上，与人类的情况可能完全不同。

小鼠内侧颞叶中复制的神经序列与快速波动相关，称为“波纹”。波纹还与提取人类的情节记忆有关。因此，理论上，纹波可以与人脑中与记忆有关的峰值活动的重复复制相关联。

研究成果


为了验证理论，科学家对皮质波纹与单个神经元的峰值活性之间的关系进行了研究。受试者为6人（4名男性和2名女性，平均年龄34.8±4.7岁）。


第一张图片

收集信息的主要工具是：微电极阵列（MEA），用于收集前颞叶各个神经元的动作电位和微局部场的数据；电皮层图（iEEG），用于从位于外侧颞皮质上方并沿颞颞叶（1A和1B）的硬膜下电极收集宏信号。
局部电场的电势*是通过该组织中各个细胞（例如神经元）的全部和同步电活动在神经和其他组织中生成的临时电信号。
IEEG信号检测到MTG和MTL中的波纹型振动，以及大脑区域之间的任何潜在连接。
MTL-大脑内侧颞叶；
MTG是平均颞回。
内侧颞叶的脑电图记录中出现的波纹伴随着微型LFP信号中的波纹以及单个神经元的活动峰值（1C）。波纹在宏观iEEG尺度和微型LFP尺度上均显示出功率在80至120 Hz范围内的增加。

在每个微电极中检测到的每个脉动都伴随着该通道（1C）中单个神经元活动的增加。峰值皮层活动与在宏观iEEG和微型LFP（1D）尺度上检测到的搏动的发生密切相关。

在单个微型LFP脉冲内，从皮质某个区域的电极通道获得的峰与波纹的传播相关，这与在啮齿动物和人类（1E和1F）中观察到的峰与脉动活动之间的关系一致。


第2张图片

要求每个研究参与者执行口头记忆成对单词的任务，这要求对它们进行编码，然后在每个测试（2A）中检索成对的随机选择单词之间的新关联。

通过爆发事件，科学家们基于至少25 ms的种群频率，对皮层峰超过阈值的时间指数进行平均。对于所有参与者而言，猝发的平均频率为1.4±0.2 Hz，并且在此任务的特定阶段，每个猝发包括所有已识别单元（神经元）的39.9±6.3％。爆裂事件在对象呈言对的整个过程中反复发生（2B）。

接下来，科学家根据在每个编码期间从成对的神经元之间的相对活动爆发中获得的模型序列，对每个测试中的神经元进行了重新排序。该模型序列更多地用于可视化，而不是用于分析编码周期和搜索周期中多个事件中神经元活动的时间结构。各个爆发期间的神经元显然在整个编码时间内（2C）保持动作电位的相同顺序。

由于当实验参与者对单词对进行编码时观察到了动作电位的重复序列，因此可以量化爆发事件中神经元的动作电位序列在不同试验中彼此一致或有所不同的程度。

对于每个爆发事件，通过根据神经爆发的最大动作电位何时从中心爆发事件指数开始出现±75 ms范围内的顺序对每个神经元进行排序，来确定此特定爆发中神经元之间的峰值活动顺序。

发现了几个神经元的例子，它们在一个测试中形成一个序列，然后在下一个测试（2D）中重新组织以形成一个不同的序列。

为了检查任何序列与任何其他序列的相似程度，确定了一个对应系数，该系数比较两个序列共有的所有神经元之间的成对时间关系，取值1表示完美的正向回放，-1表示完美的反向回放。

确定了每个测试中所有序列之间的对应系数的平均成对值后，将该平均值与在不同试验中比较序列的所有成对组合时出现的系数值分布进行了比较。

数据分析显示了用于编码和复制记忆的通用参数-在所有试验中都观察到的皮质活性峰的重复序列，即使参与者未正确组成言语对也是如此。


图3

因此，如果记忆的成功编码取决于神经元动作电位的时间顺序，则记忆的提取应取决于相同的顺序（3A）在所有测试中，在编码和搜索过程中都观察到重复的突发事件（3B）。

显然，在记忆提取的过程中，序列变得越来越类似于编码序列，直到参与者说出他的答案的那一刻（3C）。

很好奇的是，如果正确回答了任务（单词对），则编码期间和内存检索期间的序列重复数据会增加。在参与者错误地重新创建言语对的情况下，观察到的声音更少（3D）但是，在参与者说出错误答案之前，搜索序列与编码序列相似。换句话说，在记忆语音对期间，神经元的激活顺序与在以正确形式发给答案的发音期间的活动相吻合，而不是在错误回答的情况下。由此得出的结论是，如果需要的话，大脑会记住一些特定的东西，用这种记忆来选择所需的板块，然后进行隐喻地再现。

如果存在这种机制，那么对于不同的存储器，它必须是独立的（3F）还发现，与具有错误答案的类似试验相比，正确的编码和信息检索具有较低的神经元群体爆发频率和较低的Fano系数。这表明成功的搜索涉及再现神经兴奋（3G）的确切序列。


图片4

如前所述，在搜索过程中观察到的突发事件与宏观iEEG和微观LFP尺度上的涟漪型波动密切相关（1C）然而，这些皮质事件中只有少数与内侧颞叶的波纹有关。先前的研究表明，与内侧颞叶（4A）中的类似事件相关的皮质爆发事件是记忆恢复的核心。

在言语对测试中，观察到与内侧颞叶相关的爆发事件，与在没有内侧颞叶活动的情况下发生的那些事件相比，其与编码期的序列相似性系数更高（4B）。

还发现，由内侧颞叶的活动引起的大脑皮层记忆的再生不晚于这种活动开始后100毫秒（4C）。

在测试过程中，当参与者给出正确答案时，与MTL脉动相关的突发事件显示出与不相关事件（4D）相比，编码期间存在的序列的再现性更高。

由此可知，对于记忆的每种编码，都有各自神经元活动的序列。为了正确地复制记忆，大脑必须重复复制此序列。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您查看科学家的报告。

结语


在这项研究中，科学家能够获得直接的物质证据，证明记忆的复制是基于人脑中神经元动作电位序列的协调复制。

当一个人记住某件事时，大脑中会形成一系列神经元活动。当他想记住某件事时，为了成功提取所需的记忆，他的大脑必须重现以前创建的序列。

测试期间已确认这一点。当测试参与者正确回忆给定的言语对时，再现（记忆）和编码（记忆）的顺序是重合的，这在错误答案的情况下没有观察到。

根据研究人员的说法，他们的工作可以成为试图了解导致破坏性记忆，意识和思维的人脑破坏性过程的所有特征的附加工具。如果我们从更科幻的角度进行辩论，那么了解存在可以重现的特定序列可以使我们在正确的时间准确快速地重现必要的记忆。

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