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林龙年:寻找人类记忆密码是我最好奇的事情

时间:2005-05-26 11:35来源:生物通 作者:bioguider 阅读:

    

    图为小老鼠戴着电极帽在进行实验。图片来源:文汇报

    一只头戴“电极帽”的小鼠静静地趴在“窝”里,两只小小的眼珠滴溜溜乱转。它一会儿伸伸爪子,一会儿出来散散步,喝点水。

    “咔嗒、咔嗒,”脑电波均匀的声音就像钟表的秒针,在实验室里有节奏地响着。

    突然,背后吹来一股冷风!小鼠猛地打了个哆嗦。

    电脑屏幕上原先平稳“行走”的神经元放电阵列,立刻偏离了原来的路线,变得急切、冲动起来,像一阵疾走的脚步声,向实验室袭来。

    41岁的林龙年已不是第一次听到这种熟悉的“脚步声”了。这位华东师范大学脑功能基因组学研究所副教授,盼望能从这种变化中听到小鼠“记忆”的回声。“强烈的刺激容易给人留下深刻的印象。过一个十字路口,你可能很快就忘了。但在游乐园坐一次过山车,那种刺激让你终身难忘。小鼠也是这样。我们推测强烈的记忆应比微弱的印象更易检测。”这个推测让林龙年想出了“背后吹冷风”的怪招,不过,这招看来很灵。他接下来为小鼠又设计了另外两个“恐怖场景”:把小鼠放在盒里,快速晃动,模拟地震的情形;把小鼠放在特制的盒中做自由落体下降,模拟电梯突然失控坠落的过程。林龙年希望借助这三个实验寻觅到小鼠记忆的蛛丝马迹。

    林龙年2004年1月回国,在美国普林斯顿大学完成博士后研究。目前主持上海市脑功能基因组学实验室神经编码网络技术平台建设,研究方向是学习与记忆的神经编码机制,即从神经元网络活动水平研究大脑学习、记忆的规律。

    “世界上我最好奇的事情,就是人是怎么记住这纷繁复杂的世界的。人类的记忆到底深藏在脑子的什么地方?以怎样的方式贮存?贮存之后又是如何巩固、提取出来?”他笑着反问记者,“难道会有人不想知道这些吗?”

    这种好奇驱动林龙年进行了长达两年半的实验,使他和美国波士顿大学钱卓教授在世界上首次发现了大脑记忆的编码单元,为解读大脑记忆密码提供了一种新的可能途径。这一研究成果发表在4月26日的《美国科学院院报》上。

    记忆藏在哪儿

    我们知道,质子、中子构成原子核,原子核和电子构成原子,原子构成分子,分子之间发生化学反应。

    神经系统也是这样一个有着多个层次的系统,它的最底层叫基因分子层;在这个层次之上是细胞层,大脑中的细胞就叫神经元;神经元与神经元之间通过突触联接,构成了第三个层次———神经元网络层。

    大脑中神经元的数量很多,约有1400亿个,每个神经元又与其他几千个神经元发生联系,构成一张巨大复杂的神经网络。

    科学家以前设想,记忆是一种分子物质,像基因的信息藏在DNA序列当中。但是科学家在大脑里找来找去,找不到。不管是DNA、RNA、蛋白质,都不能代表一个人的脸或鼻子。

    林龙年的合作者、美国波士顿大学钱卓教授,1999年,通过把复制的老鼠NR2B基因植入老鼠胚胎,提高了老鼠的学习与记忆能力,培育出“聪明鼠”,证明NR2B基因是控制大脑学习和记忆的“开关”。

    钱卓的这一成果轰动了世界,被评为当年世界十大科技成就之一。人们以为,距离找到记忆的本原,已经不远了。

    科学家在接下来的研究中发现,尽管知道了一个关键的分子与记忆有关,它似乎并不能解答人们迫切需要了解的问题。

    聪明鼠究竟如何贮存信息,形成记忆,并在此后提取记忆中的这些信息进行表达?科学家们仍然不知道。他们只是认为,人类大脑功能学习、记忆的实现,最后要依赖神经元网络层次的工作,但也离不开其它层次的作用。

    科学家们开始在大脑神经元的网络结构上寻找答案。
深入“海马”

    在与记忆密切相关的大脑结构中,海马发挥着举足轻重的作用,它是掌管学习和记忆的最主要区域,负责将人们新的经历转化为长期的记忆。海马受损的病人,对眼前刚经历的事会毫无记忆,这样的病人会每天津津有味地阅读同一张旧报纸,自己还觉得总是在看新闻。

    小鼠海马脑区只有半粒米大小,科学家们将实验的探测区域放在海马脑区的CA1细胞层,即海马信息处理的“输出层”,这里约有20万至30万个神经元。

    2002年,林龙年决定通过了解小鼠在环境中遇到强刺激时海马脑区神经元的反应,测试小鼠究竟如何形成记忆,并在此后提取这一记忆。“我们猜想,大脑中会有许多神经元参与这些记忆的编码。”多通道在体(指装在活的动物身上)记录技术的出现,使得林龙年和同事们的研究成为可能。

    他们研制出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,成功地记录到多达260个神经元的活动情况。

    “这一步非常重要,”林龙年介绍,“假如只能观察到几个神经元,就谈不上对神经元群体的编码进行分析。”过去记录小鼠神经元活动的最高纪录是40多个,电极个数的最高纪录也只有10多个。

    实验发现,小鼠在每次“历险”时,电脑上的神经元活动图像便出现强烈反应:有的神经元放电频率变快,有的变慢,有的停下来一段时间。

    看来,单个神经元怎么编码是个很难回答的问题。假如成组观察,林龙年发现它们的反应都很稳定。有的组的神经元不管你给什么刺激都反应,有的神经元对特异的事情有反应,也有的神经元对某两个事情有反应。

    “看来,不管什么记忆,都不像我们以前认为的单个神经元在起编码作用,关键是这个神经元是否参与这个事件的反应”。

    简单地说,记忆有可能是以编码单元活动的,而不是仅与某一个神经元有关联。更有意义的是,科学家们通过把这些编码单元活动或者不活动区分出来,可以把每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他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。

    研究人员现在已经可以根据小鼠神经元的活动情况,反推出当时小鼠是受到了哪种惊吓刺激,正确率90%。   

    林龙年,华东师大“脑功能基因组学研究所”副教授。华东师范大学生物学系博士,美国普林斯顿大学分子生物学系博士后。主要研究方向:学习记忆的神经编码机制。图片来源:华东师范大学脑功能研究所

    可能,仅仅是可能

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    尽管林龙年一再强调,目前的实验结果只是为解读大脑记忆密码提供了一种新的“可能”途径,但一段时间以来,不少媒体将这一成果报道成了“首次成功破解记忆密码”,这令林龙年哭笑不得。“人类离真正解开记忆之谜还有很长的路要走,现在还只是刚刚开始。”他说,鼠脑和人脑的差别主要在皮层方面,底层结构是相同的,都是由神经元组成。科学家推测现在的实验结果在人的大脑内也是成立的。但是否确实如此,必须通过在人脑内的实验验证。这个实验难度非常大。

    更为重要的是,要想证明观测到的现象确实是一种“记忆”形式,不仅需要证明它是这样编码外界的刺激,还要证明它能被提取出来。这个实验难度更大。

    “对于大脑是如何记忆的,科学界目前还没有一个成型的框架。科学家们只是在不断地提出假说并通过实验去验证。”林龙年说,“人类目前对大脑工作原理的认识正处在一个门槛上,在不远的将来很可能会有一个大的突破。”

    19世纪末,科学家发现大脑的基本结构功能单位是神经元;到20世纪30年代,科学家发现神经元活动时有一种特定的膜电位变化,可以用来传递信息;20世纪70年代,科学家已清楚神经元之间通过化学物质形成功能联接点,且联接点的强度是可以改变的。这三项发现均获得了诺贝尔奖。

    剩下的问题是,由这样一个基本结构构成的大脑,怎样来处理信息?从那时至今已经过去几十年,技术获得了飞速发展,但还不能完全回答这个问题。

    林龙年认为,以前一直没有一种很好的方法对神经元的网络活动进行探测,只能通过外在的行为表现间接地探知记忆的秘密,现在则有了一批相应的高技术工具:多通道在体记录技术、无创伤性脑成像技术等,这方面的研究发展肯定会随之加快。“如果在大脑学习和记忆原理的认识上有所突破,最大的影响可能在人工智能方面。”林龙年判断,“根据大脑的工作原理,肯定会设计出一种全新电脑,不仅能记忆,还能以人脑的方式进行推理和思维。”“现代电脑的硬件发展已经接近极限,电脑芯片电路的布线已经到0.18微米,再精细下去,电子就要互相干扰了。假如我们知道人脑的工作方式,电脑的工作原理将会随之调整,这对整个社会的影响太大了……”林龙年的眼神中充满了憧憬。
那么多的“不知道”

    有一种说法,科学就是花钱满足科学家的好奇心。林龙年是这种观点的坚定支持者,在他看来,好奇才是科学的原动力,其他的任何动力都带有世俗的色彩。

    实验中,他常常被自己的好奇心所驱使,有时竟意外地“捡”到不小的成果。

    一次实验中,林龙年发现,小鼠大脑中有几个神经元对“窝”的概念特别敏感。无论“窝”的颜色、形状、位置、大小、材料怎样变化,它都能准确地“认”出来。如果把“窝”换成一个平面或是凸起的物体,它就不认为那是自己的“窝”了。这说明小鼠已经抽象出了“窝”的概念。在遇到相关因素时,会提炼出这些概念与“窝”联系起来。

    难道小鼠也有抽象思维?这似乎与人们以往的看法不同。这个发现简直让林龙年着迷。

    他发现,小鼠睡觉的时候,神经元活动具有阵发性;小鼠被麻醉时,神经元的活动变得非常整齐,像广场上的阅兵式,咣、咣、咣……看来,神经元越是一起活动,越是不编码,越是各自为政越有效率。

    林龙年感叹:“宇宙的进化过程中,大脑能进化出这么厉害的认知功能———感、知觉,学习与记忆,情绪,语言,思维,意识。过去,意识被认为是哲学的领域。现在科学家不仅可利用科学方法来研究意识,还在探讨意识形成的生物学基础。”

    林龙年庆幸,人类认识的加速度似乎比宇宙发展的加速度要快,致使人类能取得今天这么辉煌的成就。

    他把历史比作一列火车,人类则是半途上车的旅客。

    “我们在火车上拼命想,这列火车究竟从哪里来?又究竟要到哪里去?火车仍一直向前开,这就是人类的一个基本命运。”

(责任编辑:泉水)
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