大脑中的记忆是如何存储和提取的?

How do memory engram encode and retrieve the memory from the brain?

问题年度:2021 问题类型:前沿科学问题 学科领域:生命健康 学科细分归类:神经生物学,细胞生物学

推荐机构:中国细胞生物学学会

记忆印迹 信息编码 脑机接口 神经化学

问题描述

在记忆活动中出现的记忆印迹细胞数量稀少。而记忆印迹细胞的活动承载了对复杂外界信息的记忆存储与提取过程,体现出对高维度复杂信息变量的降维与高效处理。记忆印迹细胞在记忆形成过程中是如何产生的,其活动如何通过神经网络编码、存储与提取记忆是一个非常值得研究的科学问题。

问题背景

大脑如何存储记忆是尚未解决的科学难题和目前研究的前沿性问题。2005年,《科学》杂志将该问题作为125个最具挑战性的科学问题最前沿问题之一进行了公布。记忆是认知的基础,大脑将获得的外界信息和经验转化为神经信号,通过神经网络结构和化学的动态变化,使得信息存储于大脑内。大脑记忆的存储单位、分类方式、加工过程、维持状态、相关疾病等问题的解答有赖于对大脑记忆机制的深入研究。

感觉信息的脑内活动编码会在脑中留下印迹,并依赖神经网络进行存储和提取。通过对神经网络的活动进行动态记录和操控,现代生物学研究近期提出了记忆印迹细胞理论。实验发现大脑中存在由少量的细胞组成的细胞群体,分散于不同的脑区,其活动足以编码复杂的感觉和运动信息。作为记忆信息的重要承载细胞,记忆印迹细胞的发现迅速推动了大脑记忆机制的研究,成为大脑的信息编码与存储机制研究精确的切入点和重要的生物学研究对象。

最新进展(截止问题发布年度)

对于记忆印迹细胞参与的记忆存储,从根本上需要了解这些印迹细胞作为区分不同记忆的低维度变量的载体,是如何在学习的过程中形成的。即,记忆印迹细胞作为复杂记忆网络中的核心节点,是通过从一群有先天性的网络结构特性的记忆印迹细胞前体细胞群体中选择出现的,还是通过普通记忆网络中的节点在学习后获得性增加对各节点的连接,从而从无先天特征的细胞群体中“涌现”出来的?研究这些记忆印迹细胞群体的连接结构特征及调节其发育过程的遗传学和连接组学特征,将揭示大脑有效地对外界信息实施降维并区分不同信息的基本神经原理。

对于记忆印迹细胞参与的记忆提取机制研究,突破关键点在于多脑区记忆印迹细胞活动的统一性原理。在信息处理的不同阶段,不同的脑区中存在的记忆印迹细胞依赖特定的机制共同编码了一段记忆。这样,研究不同脑区记忆印迹细胞群体间的协调性机制和信息交互过程就是研究记忆提取的关键突破点。

重要意义

记忆印迹的信息编码与读取研究从基础学术角度,有助于找到信息高效存储的生物学本质,对人类的思维与认知基础进行定量研究。从人类健康角度,有助于推进高效高速脑机接口策略的探索,为脑功能修复提供全新的选项。从类脑智能角度,有助于发展全新的计算模型,产生仿生物的高效智能计算网络。从人类发展角度,该研究会为将来保存思维和记忆、实现长时间空间跨度星际旅行提供可能的一种选项,使得人类知识甚至个体意识的延续成为可能。