【Cell】山雀是记忆天才！归功于大脑里“条形码”的神经活动

大脑创造和存储记忆的能力非常神秘。记忆并不总是可信的，但它对生存至关重要。记住在贫瘠的冬季储存食物的位置是许多动物的必需品，包括黑顶山雀。新的研究表明，这些记忆力无可挑剔的鸟类使用的系统类似于你可能在杂货店看到的东西。它们似乎使用脑细胞活动来记住每个食物位置，其功能类似于条形码的工作方式。3月29日发表在Cell上题为“Barcoding of episodic memories in the hippocampus of a food-caching bird”的研究，通过Inscopix自由活动显微成像技术发现山雀的大脑会发出神经“条形码”，以帮助回忆成千上万的藏食之处。

海马对情景记忆至关重要。尽管海马的活动代表了地点和其他行为相关的变量，但尚不清楚它是如何对生活中特定事件的大量记忆进行编码的。为了研究情景编码，研究人员利用了山雀——会贮藏食物的鸟——的特殊行为，当它们为随后的检索储存食物时，它们会在明确的时刻形成记忆。研究人员在高速缓存期间的记录显示了非常稀疏的、短暂的、类似条形码的海马神经元放电模式。每个“条形码”唯一地表示一个缓存事件，并在检索该特定缓存期间短暂地重新激活。条形码与位置细胞的传统活动同时发生，但即使在具有相似位置代码的附近贮藏地点也不相关。研究人员认为动物通过重新激活海马体条形码来回忆情景记忆。与计算机哈希码类似，这些模式为不同的事件分配唯一的标识符，可能是快速形成和存储许多非干扰记忆的机制。

黑顶山雀有着非凡的记忆力，可以回忆起成千上万种食物的位置，以帮助它们度过冬天。现在，哥伦比亚大学祖克曼研究所的科学家们已经发现了山雀是如何记住这么多细节的：它们使用类似于条形码的脑细胞活动来记住每个食物的位置。这些新发现可能会揭示大脑如何为构成我们生活的事件创造记忆。

“我们通过对物体、地点和人的记忆来看待世界，”哥伦比亚大学祖克曼研究所首席研究员、哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医生学院神经科学助理教授Dmitriy Aronov博士说。“记忆完全定义了我们看待世界和与世界互动的方式。有了这只鸟，我们就有了一种以令人难以置信的简化方式理解记忆的方法，在理解它们的记忆时，我们将了解一些关于我们自己的事情。

“记忆天才”

科学家们早就知道，大脑的海马体对于存储情景记忆是必要的，比如汽车停放在哪里或食物存放在哪里。要理解这些记忆是如何在大脑中编码的，就更加困难了，因为很难知道动物在特定时间可能记住了什么。

为了解决这个问题，这项新研究着眼于黑顶山雀。Aronov称这些鸟为“记忆天才”和情景记忆大师。大多数山雀生活在较冷的地方，不像其他鸟类那样在冬天迁徙。它们的生存取决于记住它们在夏季和秋季将食物藏在哪里，有些鸟每天会访问5000个食物藏匿点。

海马中的“条形码”

科学家们早就知道，这些鸟类依靠海马体——一种对包括人类在内的所有脊椎动物的记忆至关重要的大脑结构——来存储它们藏匿的记忆。然而，没有人发现海马体中编码情景记忆（如食物缓存事件）的特定神经活动。

“我们试图回答的问题是，'记忆在物理上是什么？'”Chettih博士说。

山雀可以帮助科学家解开这个谜团。为了探索山雀的惊人记忆，Aronov博士和他的团队以山雀的自然栖息地为灵感建造了室内竞技场。

“几十年来，科学家们一直惊叹于这些鸟类的记忆力，但一直是个谜，因为它们的大脑中发生了什么来支持这些记忆，”Aronov博士说。“现在我们有了神经记录和行为跟踪工具，可以提高我们对这些鸟类如何能够完成这些记忆壮举的了解。”

在典型的实验中，当研究人员监测海马的活动时，一只黑顶山雀本能地将葵花籽藏在竞技场的洞中。同时，六个摄像头还记录了这些鸟儿飞来飞去的样子，人工智能系统在它们藏匿和取回种子时自动跟踪它们。

科学家们出乎意料地发现，每当山雀藏起种子时，海马神经元就会以一种独特的模式放电。当鸟类取回特定的食物藏匿处时，这些转瞬即逝的模式重新激活。

“这些都是非常惊人的活动模式，但它们非常短暂——平均只有大约一秒钟长，”Chettih博士说。“如果你不知道它们发生的确切时间和原因，就很容易错过它们。”当研究人员仔细研究他们的数据时，神经条形码作为不同事件的唯一标签的想法开始变得有意义。

这些条形码模式独立于海马神经元的活动而存在，海马神经元称为位置细胞，海马神经元编码位置记忆。每个条形码都保持不同，即使涉及隐藏在同一地点但不同时间的藏匿处，或快速连续使用的相邻藏匿处。

“许多海马体研究都集中在位置细胞上，2014年他们的发现获得了诺贝尔奖，”Aronov博士说。“因此，该领域的假设是，情景记忆一定与位置细胞的变化有关。我们发现，当鸟类形成新的记忆时，位置细胞实际上并没有改变。相反，在食物缓存期间，除了位置细胞之外，还有其他活动模式。”

在藏食物期间，山雀大脑记录显示了非常稀疏的、短暂的、类似条形码的海马神经元发放模式。每个条形码只涉及海马体中约7%的细胞。

这些神经“条形码”与大脑神经元的常规活动一起发生，这些活动是对特定位置的反应而触发的，可以被称为位置细胞。但是，有趣的是，情景记忆“条形码”彼此接近却没有相似之处。

这对人类意味着什么

展望未来，研究人员想看看山雀在从远程位置寻找缓存时是否会激活条形码。

“如果他们计划在实际检索缓存项目之前检索缓存项目，这就是我们可能期望的，”Chettih博士说。“我们想识别那些鸟儿正在考虑某个位置但还没有出现的时刻，看看激活条形码是否会驱使鸟儿去缓存。”

研究人员还渴望知道他们发现的山雀的条形码策略是否在包括人类在内的其他动物中广泛使用。这样的研究可能有助于阐明人类经验的核心部分。

Chettih博士说：“如果你考虑一下人们如何定义自己，他们认为自己是谁，他们的自我意识，那么对特定事件的情景记忆是其中的核心，这就是我们试图理解的。”

参考文献

Chettih et al., Barcoding of episodic memories in the hippocampus of a food-caching bird, Cell (2024), https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.032