作者：脑友记
来源：微信公众号：脑友记BrainUp（ID：naoyouji-BrainUp）
突触的变化可能有助于解释我们大脑当中的记忆是如何形成的，以及为什么某些类型的记忆比其他类型的更强。
▎当记忆形成时，大脑会发生什么物理变化?
南加州大学(University of Southern California)的一组研究人员首次回答了这个问题。他们在斑马鱼幼虫体内诱导记忆，然后用点亮的脑细胞绘制出它们透明头部的变化，就像新年前夜的时代广场一样。
经过六年的研究，他们取得了突破性的发现，学习了导致突触(神经元之间的连接)在某些区域增殖，而在其他区域消失，而不是像人们通常认为的那样仅仅改变了它们的强度。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，由南加州大学的唐·阿诺德（Don Arnold）、斯科特·E·弗雷泽（Scott E. Fraser）和卡尔·凯瑟曼（Carl Kesselman）领导。
▎新方法和工具
这项研究之所以成为可能，要归功于南加州大学发明的一种新型细胞标记和一种定制的显微镜。研究人员还开发了一种先进的方法来跟踪和存档收集到的数据，以使他们的发现尽可能地容易获得和重现。
在工作之前，他们如果不修改突触的结构和功能，就不可能确定突触在活的大脑中的位置，这使得比较记忆形成前后的情况变得不可行。
通过南加州大学维特比工程学院和南加州大学多恩西夫文学、艺术和科学学院之间的多学科合作，这些团队首次能够确定活体斑马鱼（斑马鱼是一种常用来研究大脑功能的动物）大脑学习前后突触的强度和位置。
斑马鱼足够大，大脑的功能和我们一样，但又足够小和透明，可以提供一个进入活体大脑的窗口。通过让鱼儿自由自在地生活，研究人员能够随着时间的推移比较同一大脑中的突触，这是神经科学领域的一项突破。
为了创造可衡量的记忆，研究小组想出了新的方法来诱导斑马鱼幼虫学习。他们通过训练这条12天大的鱼，将打开的灯与红外激光加热头部联系起来，但它们试图通过游开来避免这种行为。
学会将光线与即将到来的激光联系起来的鱼会甩动它们的尾巴，表明它们已经学会了。经过5个小时的训练，该团队能够观察并捕捉到这些斑马鱼大脑的显著变化。
除了创造这种新的方法之外，南加州大学多恩西弗分校的神经科学家、生物科学和生物医学工程教授阿诺德领导了一个小组，创造了改变鱼类DNA的新方法，以便用激光扫描时发光的荧光蛋白标记突触的强度和位置。
阿诺德说表示，我们的探测器可以在不改变其结构或功能的情况下标记活大脑中的突触，这在以前的工具中是不可能的。这使得弗雷泽团队开发的专用显微镜能够扫描大脑和突触所在的图像。
弗雷泽是南加州大学迈克尔逊聚合生物科学中心生物科学和生物医学工程的教务长教授，在南加州大学维特比、南加州大学多恩西弗和南加州大学凯克医学院任职，他表示，这一显微镜是为解决这一成像挑战和提取我们需要的知识而量身定制。
在这个实验中，我们必须找到一个合适的平衡点，既要得到足够好的图像来得到答案，又不要太壮观，以防光子对鱼造成伤害。
通过这种创新的显微镜，他们能够观察活体动物的变化，并获得同一标本变化前后的图片。在此之前，因为实验是在死亡的标本上进行的，他们只能比较两个不同的大脑，一个通过条件反射，另一个不是。
弗雷泽说表示，这是忍者成像，我们是在不被发现的情况下悄悄介入。
结果是成百上千的图像和实验需要处理和分析。第三个小组由南加州大学迈克尔逊收敛生物科学中心的计算机科学家凯瑟尔曼（Kesselman）和南加州大学维特比分校的工程学教授威廉·H·凯克（William H. Keck）领导，他们开发了创新的新算法，使这成为可能，同时跟踪调查期间进行的大型复杂实验。
▎令人惊讶的结果
分析这些图像时，主要的收获是：不是记忆改变了现有突触的强度，而是大脑某一部分的突触被破坏，在大脑的另一个区域产生了全新的突触。
凯瑟尔曼是南加州大学信息科学研究所信息学部门的主任，也是丹尼尔·J·爱泼斯坦工业和系统工程系的教授，他表示，在过去的40年里，人们普遍认为通过改变突触的强度来学习，但我们没有发现这种情况。
阿诺德说，这是我们可能得到的最好结果，因为我们看到了突触数量的戏剧性变化——一些消失，一些形成，我们在大脑的一个非常明显的部分看到了它们。
由研究小组开发的专门软件根据三维显微镜图像创建了突触的具体位置和大小的地图。比较学习前后的突触图，我们可以识别出在学习过程中产生或消除的突触。右图中的红线显示了大脑中显示总体收益和总体损失的区域之间的边界。
研究结果表明，突触数量的变化在实验中对记忆进行编码，这可能有助于解释为什么消极的联想记忆，比如那些与创伤后应激障碍(PTSD)相关的记忆如此强大。
阿诺德表示，人们一直认为，记忆的形成主要涉及现有突触连接的重塑，而在这项研究中，我们发现了突触的形成和消除，但我们只看到现有突触强度的微小随机变化。
这可能是因为这项研究集中在联想记忆上，联想记忆比其他记忆更强大，并且在大脑的不同地方形成，杏仁核，而大多数其他记忆是在海马体。这可能有一天与创伤后应激障碍（PTSD）有关，这种疾病被认为是由联想记忆的形成介导的。
这篇论文和相关研究的一个不同寻常的方面在于它关注了如何使调查结果尽可能透明和可复制，使与论文相关的每一条数据都可以在公开的网站上搜索，任何科学家都可以获得，从而绘制动态突触。
所有数据和代码的可访问性对复制科学结果至关重要，但很少能访问用于撰写论文的所有数据。例如，最近的研究表明，只有20%的癌症研究是可复制的，因为数据不可用。
南加州大学团队为数据访问设定了一个新的标准，因为在六年的调查中产生的每一条数据都被捕获并组织用于这项研究。
设计这一新范式的凯瑟尔曼表示，我们从一开始就通过创建一个用于数据共享和数据分析的综合系统来解决这个问题。在做实验时，它很有用，因为团队可以随时访问数据，它将指导那些想在未来使用我们工作的人。
弗雷泽说，我真的相信这是研究透明度的未来，一个新时代，南加州大学走在了前面。这项正在进行的研究代表了南加州大学与南加州大学迈克尔逊聚合生物科学中心、多恩西弗、维特比和南加州大学凯克医学院研究人员的最新跨学科合作。
