上海科学家揭秘“工作记忆” （上海科技报） 

　　来源：上海科技报 2014年10月29日03版 作者:耿挺

　　17×24=？决定你能在多短时间内将这一道题目心算出来的，其实是一群活跃在大脑内侧前额叶的神经元细胞。中科院上海生命科学研究院神经科学研究所李澄宇研究组发表在10月24日《科学》杂志上的一项研究显示，干预“延迟期”小鼠大脑内侧前额叶的电活动影响了记忆任务的学习正确率，并阐明了该脑区在记忆学习过程中放电模式变化的规律。该研究有利于理解工作记忆这一核心脑功能的机制。作为一个基础研究成果，还需要大量后续的持续性研究才能在改进人类的工作记忆及疾病中的应用等方面取得进展。

　　“秒”级难度的记忆研究

　　“工作记忆”是一种重要的短时程记忆，它负责将“正在经历”的信息进行短暂的储存和操纵。例如做心算时，大脑需要一个“延迟期”对不同位数进行符合运算规则的操作，而中间结果需要在记忆中被暂时存储下来，最后完成相应运算。实际上，“很难找到一个不需要工作记忆参与的任务，使之成为智能认知的核心组件之一”。前人的研究表明，工作记忆的好坏和人类智商有相关性，工作记忆的缺陷也常在多种脑疾病和衰老过程中出现。

　　过去的研究发现，大脑的前额叶（额头后面的大脑区域）神经元的电活动对于工作记忆非常重要。但是，前额叶在工作记忆中的具体贡献机制，一直是一个重要的未知问题。具体的核心困难有两个：工作记忆是“秒”级的记忆，而传统的实验手段操纵神经元会造成长时程甚至永久性的影响，不能实现 “秒”级的干预。另外，很多研究中用到的行为学范式无法区分记忆的存储与抉择等其他脑功能。

　　“光遗传学”和实验设计

　　为了检测在“延迟期”小鼠前额叶电活动对学习记忆任务的重要性，李澄宇研究组使用了“光遗传学”这项较新的技术。该技术通过在哺乳动物大脑神经元中表达微生物的感光蛋白，之后神经细胞的兴奋性可以通过光照而被调节。这种调节是在“秒”级的时间尺度上，并且可以是双向的，即上调或下调其电活动。

　　有了新技术，还需要设计一套巧妙的实验。李澄宇研究组训练小鼠学习一个工作记忆任务，其中记忆的存储与抉择行为在时间上相互分离。在这项任务中，水是一种奖励。小鼠先后闻到两次一样或者不一样的气味。如果气味不一样，小鼠可以舔水；如果气味一样，小鼠则需要抑制自己不去舔水。在闻到两次气味之间，有一段无气味的“延迟期”――就在这段时间里，小鼠需要记住第一次气味，然后才能和后面第二次气味作比较。这一任务的特点和优势就在于这一“延迟期”的设计，使小鼠无法做出抉择行为，从而可以特异性地研究信息的存储行为。

　　“延迟期”电活动与记忆有关

　　实验开始后，研究人员首先用光遗传手段，特异性地只在“延迟期”对小鼠内侧前额叶的神经元进行电活动的上调或下调操作，都会使小鼠的学习正确率下降。有趣的是，一旦小鼠熟练掌握了任务，对电活动的操作就不能再影响完成任务的正确率。这一结果表明“延迟期”前额叶电活动对学习工作记忆任务有重要的贡献，并且这一作用只在学习期间而非学会后有效。

　　接着，研究人员将光遗传手段使用在闻第二次气味的“抉择期”。此时的实验组小鼠和对照组小鼠在最初的两天没有表现出明显的学习正确率差异，只有到学习后期和学会后，两者才出现差异――实验组的正确率要低于对照组。这表明，之前科学界的研究结果可能是因为用损毁或药理学等手段在操纵“延迟期”神经元活动的同时还影响了抉择行为。“延迟期”活动的意义可能是记忆的储存，而不是选择行为等其他功能。

　　为排除其他因子的影响，研究人员还完成了第3个实验。他们取消了“延迟期”，光遗传手段全程覆盖实验组小鼠，而得到的结果与对照组相差无几。

　　在接下来的电生理记录实验中，李澄宇研究组观察到神经元群体的放电强度在学习期间要比学会以后高，对不同气味记忆的相关性电活动差异在学习期间比学会以后大，而这种差异和小鼠的学习成绩正相关。这说明在学习期间，内侧前额叶的电活动可以参与编码工作记忆的内容。