人是如何記住事情的?MIT科學家揭開了秘密

(來源:MIT News)(來源:MIT News)

大約 50 年前,神經科學家在大腦海馬體中發現了一種與存儲特定位置記憶相關的細胞。這些細胞不僅對空間記憶至關重要,在存儲情節記憶方面同樣發揮著重要作用。儘管科學界已經深入瞭解這些位置細胞編碼空間記憶的機制,但它們如何參與情節記憶的編碼仍然是一個未解之謎。

近期,MIT 研究人員開發的一種新模型為這一問題提供了新的見解。該模型表明,位置細胞可以在沒有空間信息的情況下與內嗅皮層的網格細胞協作,充當一種支架,將記憶組織成一個相互關聯的序列。

「這個模型初步揭示了內嗅皮層與海馬體在情節記憶回路中的作用,為理解情節記憶的本質提供了基礎。」 MIT 大腦與認知科學系教授、麥戈文腦研究所成員、這項新研究的資深作者 Ila Fiete 表示。

這個模型成功再現了生物記憶系統的多個關鍵特徵,包括巨大的存儲容量、舊記憶的逐步衰退,以及人們通過「記憶宮殿」技術存儲大量信息的能力。

這項研究由 MIT 研究科學家 Sarthak Chandra 和 Sugandha Sharma 共同主導完成,研究成果已於近期發表在 Nature 上。加州大學大衛斯分校助理教授 Rishidev Chaudhuri 也參與了這項研究

記憶的索引

為了編碼空間記憶,海馬體中的位置細胞與網格細胞密切合作。網格細胞是一類特殊的神經元,它們會在多個不同的位置被激活,並按照重覆的三角形幾何圖案規律地排列在一起。網格細胞群體共同形成了一個三角形網絡,用於表示物理空間。

這些海馬-內嗅回路不僅幫助我們回憶曾經去過的地點,還支持我們導航未知的地方。此外,研究表明,這些回路在形成情節記憶時同樣至關重要。情節記憶可能包括空間成分,但更多的是關於事件的記憶,例如你如何慶祝上一次生日,或是昨天午餐吃了什麼。

「同樣的海馬體和內嗅回路既用於空間記憶,也用於一般的情節記憶。」 Fiete 解釋道,「因此我們可以進一步探討的問題是,空間記憶和情節記憶之間存在什麼樣的聯繫,使它們能夠共享同一個回路?」

針對這一功能重疊,科學界提出了兩種主要假設。第一種假設認為,這一回路的主要功能是存儲空間記憶(例如記住食物在哪裡或捕食者出現的地方,因為這類記憶對於生存至關重要)。在這種觀點下,情節記憶的編碼被認為是空間記憶的一種副產品。

第二種假設則相反,認為這一回路主要用於存儲情節記憶,同時也能編碼空間記憶,因為地點通常是情節記憶中的一個重要組成部分。

在這項研究中,Fiete 和她的團隊提出了第三種可能性:網格細胞的獨特平鋪結構及其與海馬體的相互作用,對情節記憶和空間記憶這兩種記憶類型同樣重要。為了開發這一新模型,他們借鑒了 Fiete 實驗室過去十年中開發的計算模型,這些模型模擬了網格細胞如何高效編碼空間信息。

「我們已經到了這樣一個階段,我認為我們對網格細胞回路的機制有了一定程度的理解,因此現在是時候探索網格細胞與包括海馬體在內的更大回路之間的相互作用了。」 Fiete 說道。

在這個新模型中,網格細胞與海馬細胞的相互作用可以作為存儲空間記憶或情節記憶的支架。網格中的每種激活模式定義了一個「井」,這些井按照規則的間隔排列。需要注意的是,這些井並不直接存儲特定記憶的內容,而是充當指向特定記憶的「指針」。具體的記憶內容則被存儲在海馬體與感覺皮層之間的突觸中。

當記憶稍後被零散的片段觸發時,網格細胞和海馬細胞之間的相互作用會將回路狀態引導至最近的「井」。這些井的底部狀態與感覺皮層的相應部分相連,補充了記憶的細節。由於感覺皮層的規模遠大於海馬體,它能夠存儲大量的記憶信息,從而彌補海馬體容量的限制。

「從概念上看,我們可以將海馬體視為一個指針網絡。」 Fiete 解釋道,「它的作用類似於一個索引,通過接收部分輸入完成模式補全,然後將這些輸入指向感覺皮層(即這些記憶最初被體驗和編碼的地方),這種支架並不包含記憶的具體內容,它只包含指向抽像支架狀態的索引。」

這樣的結構使按順序發生的事件能夠被鏈接在一起:網格細胞-海馬網絡中的每個「井」有效地存儲了激活下一個「井」所需的信息,從而使得記憶能夠以正確的順序被回憶。

建模記憶斷崖與記憶宮殿

研究人員的新模型在再現多個與記憶相關的現象方面比基於 Hopfield 網絡的現有模型更為準確。Hopfield 網絡是一種能夠存儲和回憶模式的神經網絡,為記憶的形成提供了早期的重要見解,尤其是關於如何通過增強神經元之間的連接來存儲信息。

然而,Hopfield 網絡並不能完美模擬生物記憶的實際工作方式。在這種模型中,每個記憶都可以被細緻入微地回憶,直到達到存儲容量的極限。一旦達到這個極限,模型不僅無法形成新的記憶,甚至試圖添加新記憶會導致所有先前記憶的完全丟失。

這種「記憶斷崖」的現象與生物大腦的真實機制並不相符。與之相比,生物大腦的記憶系統更加靈活:舊記憶的細節會隨著時間逐漸模糊,但不會完全消失,同時可以不斷存儲新記憶。

MIT 的新模型成功捕捉了數十年來通過研究網格細胞和海馬細胞記錄所積累的關鍵發現。這些記錄主要來自囓齒動物在各種環境中探索和覓食行為的研究。更重要的是,該模型還幫助揭示了一種廣為人知的記憶策略(即「記憶宮殿」)背後的機制。

在記憶力比賽中,參賽者的一項任務是記住一副或多副打亂順序的撲克牌。他們通常通過將每張牌分配到「記憶宮殿」的特定位置來完成這一任務。記憶宮殿通常是對童年家園或其他熟悉場所的腦海再現,當需要回憶這些牌時,他們會在腦海中漫步在這個宮殿中,沿途在每個位置依次看到這些牌。乍一看,將牌與位置相關聯似乎增加了額外的記憶負擔,但實際上,這種方法讓記憶變得更加牢固和可靠。

MIT 團隊的計算模型能夠出色地完成類似「記憶宮殿」的任務,這表明這種記憶策略實際上是利用了記憶回路的自然機制。通過將輸入與海馬體中的支架關聯起來,並結合長期存儲在感覺皮層中的記憶作為新的支架,這種方法顯著擴展了記憶系統的容量,使得人類能夠存儲和回憶比平時更多的序列信息。

接下來,研究人員計劃基於這一模型進一步探索幾個重要問題,比如情節記憶如何轉化為皮層中的語義記憶,即與獲取時的具體情境無關的事實性記憶,例如「巴黎是法國的首都」;事件如何被定義和組織;以及如何將類腦記憶模型整合到現代機器學習系統中,從而提升人工智能的記憶和學習能力。

這項研究得到了美國海軍研究辦公室、國家科學基金會 Robust Intelligence 項目、ARO-MURI 獎項、Simons 基金會以及 K. Lisa Yang ICoN 中心的資助支持。

原文鏈接:

https://news.mit.edu/2025/how-one-brain-circuit-encodes-memories-places-and-events-0115