研究团队开发的特定软件绘制出了3D显微镜下突触的特定位点和大小地图。通过比较学习前后的突触地图，研究人员能识别学习过程中新产生或消失的突触。右侧图片的红线就是脑区中突触总体增加和总体消失区域的边界线。（图片来源：Don Arnold/南加州大学）
记忆生成的时候大脑会发生什么物理改变呢？来自南加州大学的研究团队首次回答了这一问题，他们诱导斑马鱼幼体形成记忆，并随后标记它们透明头部内的改变，它们的脑细胞像新年期间的时代广场一样被点亮。
经过六年研究，研究人员有了突破性的进展，他们发现学习会导致连接神经元的突触在某些区域增生而在另一些区域消失，而并非像以前设想的那样仅引起突触强度的改变。突触的这些变化可能有助于解释记忆形成的方式以及特定记忆更清晰的原因。
南加州大学的Don Arnold、Scott E. Fraser 和Carl Kesselman领导了此项研究，研究论文发表在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。
新方法新工具
研究的进行得益于一种新型细胞标记方法和南加州大学发明的定制显微镜。研究人员还开发出了一种先进的方法追踪并存档收集的数据，使研究结果尽可能易于获取并具备可重复性。
在他们之前，在不改变突触结构和功能的情况下定位活体大脑中突触的位置几乎是不可能的，这就意味着比较记忆形成前后的突触结构是不可行的。
南加州大学维特比工程学院和南加州大学多恩西夫文理学院进行了多学科合作，研究团队得以首次明确活体斑马鱼大脑中突触在学习前后的强度和位置。斑马鱼是大脑功能研究常用的动物，它的体型大到足以容纳有着类似人脑功能的大脑，但同时又足够小巧且透明，这为活体大脑研究开启了一扇窗。研究人员通过保持完整斑马鱼的活性，能够比较同一大脑不同时间的突触情况，这是神经科学领域的一大突破。
为了创造能够测量的记忆，研究团队需要新的方法诱导斑马鱼幼体学习。研究团队通过将使用灯光和用红外激光加热12日龄斑马鱼的头部联系起来来进行训练，斑马鱼会试图游走以躲避激光。学会灯光和激光关联的斑马鱼会轻弹尾部表明它们已经学会。训练5小时后，研究团队能够观察并记录斑马鱼大脑的显著改变。
除了这个新方法，南加州大学多恩西夫神经科学家、生物科学及生物医学工程教授Arnold领导的团队还找到了能改变斑马鱼DNA的新方法，突触的强度和位置会由荧光蛋白进行标记，并且会在激光扫描时发光。
Arnold说：“我们的探针可以标记活体大脑中的突触而不改变它们的结构和功能，先前的工具是不可能做到这一点的。”因此，Fraser团队开发的特殊显微镜才能扫描大脑并获得突触位置的图像。
Fraser是南加州大学迈克尔逊融合生物科学中心的生物科学与生物医学工程教务长教授，同时也在南加州大学维特比学院、多恩西夫学院和凯克医学院任职，他说：“我们显微镜是量身定做的，为的是解决成像的问题并获取我们需要的知识。有时候，为了获得这样精美的图像，你可能反而会杀死你的研究对象。在这一实验中，我们需要寻找一个平衡点，既要获得足以解决问题的清晰图像，但同时也要避免因追求精美图像而让斑马鱼被光子杀死。”
有了这一创新的显微镜，研究人员能够观察活体动物的改变，并且获得同一样本变化前后的图片。此前，因为实验的对象是死亡的样本，他们只能比较两个不同大脑的差异，一个作为实验组，一个作为对照。Fraser说：“这是忍者成像，我们悄悄潜入而不被发现。”
使用新技术的结果就是有成百上千的图像和实验需要处理和分析。南加州大学迈克尔逊融合生物科学中心的计算机科学家Kesselman和南加州大学维特比工程学院工程学教授William H. Keck领导的第三方团队开发了创新的算法，能在研究过程中追踪大型复杂实验的同时进行结果的处理和分析。
出人意料的结果
分析图片得出的主要结论是：记忆形成并没有改变现存突触的强度，而是摧毁大脑一部分的突触并且在另一区域产生全新的突触。
南加州大学信息科学研究所信息学系主任、Daniel J. Epstein工业与系统工程学系的教授Kesselman说：“过去40年间，我们一直认为人们是通过改变突触强度完成学习。但这次我们发现事实并非如此。”
Arnold说：“这对我们而言是最好的结果。因为我们看见的是一边在形成一边在消失的突触数量的剧烈改变，并且我们观察的这一大脑区域也十分清晰。以往科学家们认为突触会改变强度，但我们却惊讶地发现这种此消彼长现象的存在，并且也并没有观察到突触强度的改变。”
研究结果表明，实验中突触数量的改变会编码记忆的形成，这可能有助于解释为何有关PTSD等疾病的负面记忆会如此稳定。
Arnold说：“科学家们之前认为记忆形成主要涉及现存突触连接的重塑。但在这一研究中，我们发现突触的形成和清除发挥着更主要的作用，现存突触强度仅发生了微小而随机的改变。这可能是因为这一研究关注的是存储在杏仁核的关联记忆，它比大部分其他另外存储在海马体的记忆更加稳定。未来这一发现还可能影响PTSD研究，因为PTSD被认为是相关性记忆形成引起的。”
该论文和相关研究不同寻常的一方面在于其对研究结果公开性和可重复性的强调，所有与论文相关的数据都应该能够被搜索到，并且任何科学家都能在Mapping the Dynamic Synaptome公开网站上获取数据。获取所有的数据和代码对于重现科学研究结果十分重要，但是往往很难能成功获取所有用于论文写作的数据。比如，最近的研究表明，由于不能获取足够的数据，只有20%的癌症研究能够被重复。
设计这种新范式的Kesselman说：“南加州大学研究团队为数据获取设立了新标准，研究人员将6年间研究产生的所有数据进行了记录和整理。最开始的时候，我们制作了一个综合的数据分享和分析的系统来解决这个问题。实验过程中，这一系统能让研究团队实时获取数据，除此以外，它还能指导将来想要使用我们数据的人。”
Fraser说：“我真诚地相信这是研究公开透明的未来，一个新的时代，而南加州大学正在引领这一潮流。”
|
