大腦如何提取錯誤記憶?海馬迴神經震盪使位置細胞活化

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嘗試錯誤學習(trial and error)是心理學行為學派的指標實驗之一,心理學家 Edward Thorndike 著名貓走迷籠的實驗,觀察到貓咪在迷宮中不斷試誤、進而保留成功經驗的學習歷程。撇除行為科學的詮釋途徑,走迷宮涉及空間定向和記憶過程,除了記取正確的嘗試,也需要提去過去錯誤經驗作為後續判斷的參照,大腦是怎麼做到這件事的?

海馬迴的神經振盪(neural oscillation)

人腦的海馬迴是主導空間感與記憶的生理構造,海馬迴傳遞腦波訊號的基礎則透過神經震盪(neural oscillation),包含 θ(theta,∼4–12 Hz)、SWRs(sharp wave-ripples, ~110-250 Hz)、γ(gamma, ~25-100 Hz)3 種主要波段組合。

θ 波在快速動眼期頻繁出現,已知與空間辨識、記憶次序排組等多項腦部功能有關,空間認知的資訊會存取在海馬迴位置細胞(place cell)。SWRs 則多在動物靜止時觀察到,這個時期是動物形成、提取長期記憶的重要階段。

德州大學奧斯汀分校(The University of Texas at Austin)研究團隊發表於《Nature Communications》一項研究指出,透過小鼠走迷宮時海馬迴的電生理反應,比較其在迷宮中走對路找到食物、與走錯路的條件下,海馬迴位置細胞與不同神經震盪波段之間的影響。

提取空間記憶與活化位置細胞

當小鼠走對路,也就是找到食物正向回饋時,研究團隊如預期觀察到小鼠腦內的位置細胞會活化,研究負責人 Laura Colgin 教授形容位置細胞活化「像骨牌倒下一樣,一個接著一個細胞被激活。」而隨食物地點接近,小鼠位置細胞會排列成較緊密形式,此排列訊號則是由 θ 與 SWRs 波段組合下達的指令。

令人訝異的是,在小鼠走錯路的情況下,研究人員同樣觀察到位置細胞也會活化,只是活化時間較延遲。他們認為這可能是由於錯誤嘗試時,神經網絡驅動細胞活化的能量較低,這也是為什麼小鼠提取的錯誤記憶沒連接到當下行動的原因。

此外,研究也發現當小鼠在成功達到目標位置的經驗後,儘管處在測試之間的休息時段,海馬迴的位置細胞依舊保持活化狀態,隨時等候啟動空間記憶。

阿茲海默症的治療線索

探討大腦如何提取空間記憶並不是冷門題材,Colgin 教授團隊的這項小鼠研究,則區分出海馬迴提取「正確」與「錯誤」空間記憶的生理機制,在提取錯誤記憶方面更是首創的研究成果。諸如阿茲海默症研究,將能從中獲取與錯誤記憶有關的病理線索。

延伸閱讀:首度探入海馬迴監測血氧濃度!低血氧導致阿茲海默症?

參考資料:
1. https://news.utexas.edu/2021/06/08/first-glimpse-of-brains-retrieving-mistaken-memories-observed/
2. Nature Communications, 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-23765-x#Bib1
3. Nature Reviews Neuroscience, 2016; https://www.nature.com/articles/nrn.2016.21

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