顛覆傳統記憶理論：芝加哥大學最新研究揭示大腦記憶新機制

芝加哥大學的一項最新研究挑戰了長期以來關於突觸可塑性如何影響記憶與學習的傳統觀點。過去，科學家普遍認為，當動物經歷新事物時，神經元之間的連線（即突觸）會根據大腦活動的觸發而調整強度，這一過程被稱為突觸可塑性，並被視為記憶儲存的關鍵機制。然而，儘管其重要性，突觸變化的具體機制仍不明確。傳統理論認為，當兩個神經元頻繁共同啟用時，它們的連線會增強，而分開啟用則會削弱連線。

然而，芝加哥大學的研究團隊發現，這一簡單模型可能並不完整。他們專注於研究與記憶密切相關的海馬體，發現其他尚未被充分理解的突觸可塑性規則可能更具影響力，這為大腦活動如何隨時間塑造記憶提供了更精確的解釋。研究發現，當動物對新環境或新經驗逐漸熟悉時，其神經活動模式會發生顯著變化。令人驚訝的是，即使學習完成後，這些模式仍會持續演變，只是速度較慢。

芝加哥大學神經生物學與神經科學研究所副教授馬克·謝菲爾德博士表示：「當你進入一個房間時，起初它是新的，但每次回來後，它會迅速變得熟悉。你可能會認為代表這個房間的神經活動會趨於穩定，但它實際上仍在不斷變化。」這些變化被認為是由突觸可塑性驅動的，但具體是哪種可塑性仍難以確定，因為目前尚無法在行為動物中直接測量這一過程。

2014年諾貝爾醫學獎授予了發現「位置細胞」的科學家，這些位於海馬體的神經元只有在動物處於特定位置時才會啟用。不同神經元在房間內的不同位置有各自的「位置場」，共同形成所謂的「認知地圖」。在這項新研究中，謝菲爾德實驗室的博士後研究員安託萬·馬達爾分析了小鼠在不同環境中奔跑時的位置細胞活動。研究人員原本預期，小鼠在熟悉環境中會表現出相同的活動模式，而在學習新環境時則會有所不同。然而，他們發現每次活動模式都略有不同，並推測這些變化反映了突觸可塑性。

為了理解這些神經活動變化的驅動因素，馬達爾建立了一個海馬體神經元的計算模型，並應用不同的可塑性規則來觀察是否能重現小鼠資料中的活動模式。結果發現，與傳統的「共同啟用則連線增強」的赫布型突觸可塑性（STDP）不同，一種名為「行為時間尺度突觸可塑性」（BTSP）的非赫布型規則更能解釋位置場的動態變化。馬達爾指出，STDP只能解釋小的漸進變化，而BTSP則能解釋包括大幅非線性變化在內的整個動態範圍。

馬達爾表示：「我們對支援突觸可塑性的生理機制瞭解很多，但通常不清楚這些機制對學習的重要性。我們的研究提供了證據，表明BTSP在熟悉過程中對海馬體活動的塑造比STDP更具影響力。」BTSP是近年來的新發現，研究團隊透過資料與模型的對比，進一步瞭解了這一新規則。例如，他們發現BTSP由細胞內鈣離子的大幅跳躍觸發，而這些跳躍在動物學習和形成新記憶時更頻繁。此外，一旦位置場形成，這些BTSP觸發事件的機率會呈現簡單的衰減模式，且在不同腦區或熟悉程度下僅有輕微變化。

馬達爾總結道：「這足以解釋我們觀察到的個體位置場動態的多樣性。」儘管研究顯示海馬體活動在記憶形成過程中比以往認為的更為動態，但這些變化的具體目的仍不明確。馬達爾推測，持續演變的神經活動可能有助於大腦區分在同一地點但不同時間發生的相似記憶，這對於避免病理性記憶混淆（多種神經與認知障礙的特徵）非常重要。

謝菲爾德則從更哲學的角度思考這一問題：「每次你回到同一個房間時，你都能意識到這是同一個房間，但這是一個不同的日子和時間，對吧？你永遠無法完全複製一個經驗，但大腦卻能追蹤這一切。」他認為，這些記憶表徵的動態變化可能正是為了編碼這些細微的差異，例如在相同房間中喝咖啡或吃午餐的不同經驗。這些環境、氣味、時間等細微變化都可能透過位置場的變化被編碼到記憶中，不僅僅是環境本身，而是整個經驗。

這項研究由美國國立衛生研究院、懷特霍爾基金會、塞爾學者計劃和斯隆基金會資助，並發表於《自然神經科學》期刊。