研究人員發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制，它可以或許在下降代謝本錢的同時(shí)發(fā)生記憶，乃至在睡眠時(shí)代也能闡揚(yáng)感化。這類高效的記憶產(chǎn)生在年夜腦的一個(gè)要害區(qū)域，這個(gè)區(qū)域?qū)M(jìn)修和記憶相當(dāng)主要，也是阿爾茨海默病的出發(fā)點(diǎn)。

加州年夜學(xué)洛杉磯分校

5月8日動(dòng)靜

加州年夜學(xué)洛杉磯分校（UCLA）醫(yī)療中間的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制，這類機(jī)制可以或許在下降代謝本錢的同時(shí)發(fā)生記憶，乃至在睡眠時(shí)代也能闡揚(yáng)感化。這類高效的記憶產(chǎn)生在年夜腦的一個(gè)要害區(qū)域，這個(gè)區(qū)域?qū)M(jìn)修和記憶相當(dāng)主要，也是阿爾茨海默病的出發(fā)點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)已頒發(fā)在《天然-通信》（Nature Communications）雜志上。

研究在2024年5月8日頒發(fā)在《Nature Communications》（最新影響因子：16.6）雜志上

你是不是有過如許的履歷：你去廚房拿工具，但到了那邊后卻忘了本身要拿甚么。這就是你的工作記憶出了問題。工作記憶是指在你做其他工作時(shí)，可以或許在短時(shí)候內(nèi)記住一些信息。我們幾近無時(shí)無刻不在利用工作記憶。阿爾茨海默病和掉智癥患者存在工作記憶缺點(diǎn)，在輕度認(rèn)知障礙（MCI）中也會(huì)呈現(xiàn)這類環(huán)境。是以，人們投入了年夜量精神來理解年夜腦中重大的神經(jīng)元收集若何建立工作記憶。

在履行工作記憶使命時(shí)，年夜腦的最外層，即新皮層，將感受信息發(fā)送到年夜腦的更深層區(qū)域，包羅一個(gè)名為內(nèi)嗅皮層的中心區(qū)域，該區(qū)域?qū)?gòu)成記憶相當(dāng)主要。內(nèi)嗅皮層中的神經(jīng)元顯示出復(fù)雜的反映模式，持久以來一向困擾著科學(xué)家，并致使了 2014 年諾貝爾心理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的頒布，但節(jié)制這類復(fù)雜性的機(jī)制尚不清晰。內(nèi)嗅皮層是阿爾茨海默病最先構(gòu)成的部位。

是以，領(lǐng)會(huì)當(dāng)新皮層與內(nèi)嗅皮層對(duì)話并將其轉(zhuǎn)化為工作記憶時(shí)，在皮質(zhì)-內(nèi)嗅收集中產(chǎn)生了甚么樣的 魔法 相當(dāng)主要。這可能為阿爾茨海默病和相干掉智癥和輕度認(rèn)知障礙供給初期診斷， UCLA 的神經(jīng)物理學(xué)家、WM Keck 神經(jīng)物理學(xué)中間和生命物理學(xué)中間主任 Mayank Mehta 博士說。

為了破解這個(gè)問題，Mehta 博士和他的合著者設(shè)計(jì)了一種新奇的方式：一個(gè) 數(shù)學(xué)顯微鏡 。

在物理學(xué)界，從開普勒到牛頓再到愛因斯坦，數(shù)學(xué)模子被普遍利用，以揭露我們從未見過火至從未想象過的驚人事物，好比亞原籽粒子的內(nèi)部工作道理和黑洞的內(nèi)部布局。數(shù)學(xué)模子也被用在腦科學(xué)，但它們的猜測其實(shí)不像物理學(xué)那樣遭到正視。緣由是在物理學(xué)中，數(shù)學(xué)理論的猜測會(huì)進(jìn)行定量測試，而不但僅是定性測試。

人們遍及認(rèn)為，在生物學(xué)中進(jìn)行這類定量切確的數(shù)學(xué)理論嘗試測試是不成行的，由于年夜腦比物理世界復(fù)雜很多。物理學(xué)中的數(shù)學(xué)理論很是簡單，觸及的自由參數(shù)很少，是以可以進(jìn)行切確的嘗試測試。比擬之下，年夜腦具有數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元和數(shù)萬億個(gè)毗連，這在數(shù)學(xué)上是一個(gè)惡夢，更不消說利用高度切確的顯微鏡了。

為了應(yīng)對(duì)這個(gè)看似不成能的挑戰(zhàn)，即設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的理論，該理論仍能以高精度注釋記憶動(dòng)力學(xué)在體嘗試數(shù)據(jù)，我們假定皮質(zhì)-內(nèi)嗅對(duì)話和記憶 魔法 即便在受試者睡眠或麻醉時(shí)也會(huì)產(chǎn)生， 該研究的首要作者 Krishna Choudhary 博士說， 就像汽車不管是在怠速仍是以每小時(shí) 70 英里的速度行駛時(shí)，都表示得像一輛汽車一樣。

UCLA 的研究人員隨后又做出了另外一個(gè)斗膽的假定：在睡眠或麻醉時(shí)代，全部年夜腦皮層和內(nèi)嗅皮層的動(dòng)態(tài)可以經(jīng)由過程僅兩個(gè)神經(jīng)元來捕獲。這些假定將數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元之間的彼此感化問題簡化為僅兩個(gè)自由變量 新皮層到內(nèi)嗅皮層的輸入強(qiáng)度和內(nèi)嗅皮層內(nèi)的頻頻毗連強(qiáng)度。固然這使得問題在數(shù)學(xué)上變得易在處置，但也提出了一個(gè)不言而喻的問題 這是真的嗎？

假如我們只在體內(nèi)數(shù)據(jù)上定量測試我們的理論，那末這只是有趣的數(shù)學(xué)游戲，而不是對(duì)記憶締造 魔法 的深入理解， Mehta 說。

這一理論的要害嘗試測試需要合著者 Thomas Hahn 博士進(jìn)行復(fù)雜的嘗試，他此刻是瑞士巴塞爾年夜學(xué)（Basel University）的傳授和臨床心理學(xué)家。

內(nèi)嗅皮層是一個(gè)復(fù)雜的回路。為了真正測試這個(gè)理論，我們需要嘗試手藝，不但可以或許高精度地丈量神經(jīng)勾當(dāng)，還能肯定神經(jīng)元的切確剖解學(xué)特征， Hahn 說。

Hahn 和另外一位合著者 Sven Berberich 博士利用全細(xì)胞膜片鉗手藝（Whole Cell Patch Clamp Technique，一種電心理手藝）丈量了來自內(nèi)嗅皮層特定神經(jīng)元的膜電位，然后利用剖解學(xué)手藝辨認(rèn)神經(jīng)元。同時(shí)，他們還丈量了頂葉皮層的勾當(dāng)，頂葉皮層是新皮層的一部門，向內(nèi)嗅皮層發(fā)送輸入。

數(shù)學(xué)理論和復(fù)雜的體內(nèi)數(shù)據(jù)是需要的，也很酷，但我們不能不面臨另外一個(gè)挑戰(zhàn) 若何將這個(gè)簡單的理論映照到復(fù)雜的神經(jīng)數(shù)據(jù)上？ Mehta 說。

這需要長時(shí)候的開辟，以生成一個(gè) 數(shù)學(xué)顯微鏡 ，可以直接揭露神經(jīng)元在構(gòu)成記憶時(shí)的內(nèi)部工作道理， Choudhary 說， 據(jù)我們所知，這是史無前例的。

作者不雅察到，就像波浪構(gòu)成然后撞擊海岸線一樣，當(dāng)一小我或動(dòng)物睡覺時(shí)，來改過皮層的旌旗燈號(hào)會(huì)在開啟和封閉狀況之間以必然的距離振蕩。同時(shí)，內(nèi)嗅皮層就像水中的泅水者一樣，可以在海浪構(gòu)成時(shí)向上移動(dòng)，在海浪退去時(shí)向下移動(dòng)。數(shù)據(jù)顯示出星空體育app官方版最新下載了這一點(diǎn)，模子也捕獲到了這一點(diǎn)。但 Mehta 暗示，利用這個(gè)簡單的匹配模子后，模子自己就活躍了起來，并發(fā)現(xiàn)了一種新型的記憶狀況，稱為自覺性延續(xù)掉活狀況（Spontaneous persistent inactivity）。

這就似乎波浪來了，內(nèi)嗅皮層卻說， 這里沒有波浪！我會(huì)記住比來沒有波浪，所以我要疏忽這個(gè)當(dāng)前的波浪，完全不做出反映 。這就是延續(xù)掉活狀況， Mehta 說， 別的，當(dāng)皮層波消逝，但內(nèi)嗅神經(jīng)元記住比來有過波浪，并繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生延續(xù)勾當(dāng)。

固然很多工作記憶理論都顯示了作者發(fā)現(xiàn)的延續(xù)勾當(dāng)?shù)拇嬖?，但模子猜測的延續(xù)掉活狀況是史無前例的。

延續(xù)掉活狀況的妙處在在，它幾近不用耗能量，這與耗損年夜量能量的延續(xù)勾當(dāng)狀況分歧， Mehta 說， 更好的是，延續(xù)勾當(dāng)和掉活狀況的連系使記憶容量增添了一倍多，同時(shí)將代謝能量本錢下降了一半。

所有這一切聽起來好得使人難以置信，所以我們真的把我們的 數(shù)學(xué)顯微鏡 推到了極限，進(jìn)入了一個(gè)它本來沒法工作的范疇， Choudhary 博士說， 假如顯微鏡是準(zhǔn)確的，那末即便在非凡環(huán)境下，它也會(huì)繼續(xù)完善地工作。

數(shù)學(xué)顯微鏡不但對(duì)內(nèi)嗅皮層，還對(duì)其他很多腦區(qū)做出了十多項(xiàng)猜測。令我們完全驚奇的是，數(shù)學(xué)顯微鏡每次都有用， Mehta 繼續(xù)說道， 數(shù)學(xué)理論的猜測與嘗試之間如斯接近的完善匹配在神經(jīng)科學(xué)中是史無前例的。

這個(gè)與嘗試完善匹配的數(shù)學(xué)模子就是一臺(tái)新的顯微鏡， Mehta 繼續(xù)說， 它揭露了沒有它任何現(xiàn)有顯微鏡都沒法看到的工具。不管你拍攝了幾多神經(jīng)元，它都不會(huì)揭露這些。

事實(shí)上，代謝缺點(diǎn)是很多記憶障礙的配合特點(diǎn)， Mehta 說。Mehta 的嘗試室此刻正在跟進(jìn)這項(xiàng)研究，以領(lǐng)會(huì)復(fù)雜的工作記憶是若何構(gòu)成的，和在阿爾茨海默病、掉智癥和其他記憶障礙中，內(nèi)嗅皮層呈現(xiàn)了甚么問題。

創(chuàng)建在1919年的加州年夜學(xué)洛杉磯分校

參考文獻(xiàn)

Source：University of California - Los Angeles Health Sciences

Mathematical microscope reveals novel, energy-efficient mechanism of working memory that works even during sleep

Reference：

Choudhary, K., Berberich, S., Hahn, T.T.G. et al. Spontaneous persistent activity and inactivity in vivo reveals differential cortico-entorhinal functional connectivity. Nat Commun 15, 3542 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47617-6

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原文題目:“數(shù)學(xué)顯微鏡”揭露了一種新奇、節(jié)能的工作記憶機(jī)制，即便在睡眠時(shí)代也能闡揚(yáng)感化

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