新记忆为何不会覆盖旧记忆？睡眠研究的新发现

原文作者：Traci Watson

新线索揭示了大脑如何防止出现“灾难性遗忘” （catastrophic forgetting） 。 灾难性遗忘是指新记忆出现后使之前建立的记忆被扭曲和覆盖。

一个研究团队发现， 至少在小鼠中，大脑会在相互隔离的不同睡眠阶段处理新记忆和老记忆，这或能防止两种记忆混淆。 如果该发现在其他动物中得到证实，“我敢赌上我所有积蓄，人类身上肯定也有这种隔离。”纽约大学系统神经科学家György Buzsáki说。这是因为记忆是一种演化上很古老的系统，Buzsáki说。他没有参与这项研究，但曾指导过该团队成员的一些工作。

该研究于1月发表于《自然》 [1] 。

科学家很早就知道， 在睡觉期间，大脑会“重放”最近的经历 ：参与某个经历的相同神经元会以相同顺序放电。这种机制有助于将经历巩固成记忆，并准备好将其长期储存。

为了研究睡眠期间的脑功能，研究团队利用了小鼠的一个特点： 小鼠的眼睛会在有些睡眠阶段部分睁开。 团队在每只小鼠睡觉时监测它的一只眼睛。在深睡眠期间，团队观察到小鼠的瞳孔会缩小，随后又扩大到原来大小，这种循环往复的每个周期为1分钟左右。神经元记录显示， 大脑重放经历的绝大部分发生在小鼠瞳孔缩小时。

这使得科学家不由地思考， 瞳孔大小和记忆处理是否相关 。为此，他们使用了一种名为光遗传学的技术，该技术能用光诱导或抑制大脑中经过遗传改造的神经元的电活动。首先，他们训练改造后的小鼠寻找藏在平台的一个甜食奖励。训练后，作者立即在小鼠睡觉期间借助光遗传学减少与重放相关的神经元放电次数。他们在小瞳孔和大瞳孔阶段都进行了上述操作。

小鼠清醒后完全忘记了奖励的位置，但前提是在小瞳孔阶段减少了放电。 “我们抹去了它们的记忆。”这篇论文的共同作者、纽约康奈尔大学系统神经科学家Wenbo Tang说。

相比之下，当该团队在训练后立即减少大瞳孔阶段的神经元放电时，这些小鼠会直接奔向奖励，说明它们的新记忆完好无损。

该团队的其他实验显示， 睡眠的大瞳孔阶段有其功能 ：它能帮助处理已建立的记忆，这对小鼠来说意味着在睡觉前的几天里形成的记忆，而不是当天形成的记忆。

“在大瞳孔亚状态下，大脑在保存更早的记忆，而在小瞳孔亚状态下，大脑在整合新的记忆。” 康奈尔大学物理学家Azahara Oliva说。这个两阶段系统或许能回答大脑如何在不损坏旧知识的同时整合新知识的问题。

未参与该研究的加州大学圣迭戈分校的系统神经科学家Maksim Bazhenov说：“这篇论文迈出了很重要的一步。”研究表明， 大脑对已有记忆和新记忆能很好地分时间处理，而不是混在一起——这种混淆可能会造成干扰。

灾难性遗忘还会影响人工神经网络 ，即模拟大脑的算法，也是当前许多AI工具的基础。Tang说，进一步了解大脑如何防止这类问题，可以启发新的算法，避免AI模型出现类似问题。