研究人员发现了一种机制，它可以或许在下降代谢本钱的同时发生记忆，乃至在睡眠时代也能阐扬感化。这类高效的记忆产生在年夜脑的一个要害区域，这个区域对进修和记忆相当主要，也是阿尔茨海默病的出发点。
加州年夜学洛杉矶分校
5月8日动静
加州年夜学洛杉矶分校（UCLA）医疗中间的研究人员发现了一种机制，这类机制可以或许在下降代谢本钱的同时发生记忆，乃至在睡眠时代也能阐扬感化。这类高效的记忆产生在年夜脑的一个要害区域，这个区域对进修和记忆相当主要，也是阿尔茨海默病的出发点。这一发现已颁发在《天然-通信》（Nature Communications）杂志上。
研究在2024年5月8日颁发在《Nature Communications》（最新影响因子：16.6）杂志上
你是不是有过如许的履历：你去厨房拿工具，但到了那边后却忘了本身要拿甚么。这就是你的工作记忆出了问题。工作记忆是指在你做其他工作时，可以或许在短时候内记住一些信息。我们几近无时无刻不在利用工作记忆。阿尔茨海默病和掉智症患者存在工作记忆缺点，在轻度认知障碍（MCI）中也会呈现这类环境。是以，人们投入了年夜量精神来理解年夜脑中重大的神经元收集若何建立工作记忆。
在履行工作记忆使命时，年夜脑的最外层，即新皮层，将感受信息发送到年夜脑的更深层区域，包罗一个名为内嗅皮层的中心区域，该区域对构成记忆相当主要。内嗅皮层中的神经元显示出复杂的反映模式，持久以来一向困扰着科学家，并致使了 2014 年诺贝尔心理学或医学奖的颁布，但节制这类复杂性的机制尚不清晰。内嗅皮层是阿尔茨海默病最先构成的部位。
是以，领会当新皮层与内嗅皮层对话并将其转化为工作记忆时，在皮质-内嗅收集中产生了甚么样的 魔法 相当主要。这可能为阿尔茨海默病和相干掉智症和轻度认知障碍供给初期诊断， UCLA 的神经物理学家、WM Keck 神经物理学中间和生命物理学中间主任 Mayank Mehta 博士说。
为了破解这个问题，Mehta 博士和他的合著者设计了一种新奇的方式：一个 数学显微镜 。
在物理学界，从开普勒到牛顿再到爱因斯坦，数学模子被普遍利用，以揭露我们从未见过火至从未想象过的惊人事物，好比亚原籽粒子的内部工作道理和黑洞的内部布局。数学模子也被用在脑科学，但它们的猜测其实不像物理学那样遭到正视。缘由是在物理学中，数学理论的猜测会进行定量测试，而不但仅是定性测试。
人们遍及认为，在生物学中进行这类定量切确的数学理论尝试测试是不成行的，由于年夜脑比物理世界复杂很多。物理学中的数学理论很是简单，触及的自由参数很少，是以可以进行切确的尝试测试。比拟之下，年夜脑具有数十亿个神经元和数万亿个毗连，这在数学上是一个恶梦，更不消说利用高度切确的显微镜了。
为了应对这个看似不成能的挑战，即设计一个简单的理论，该理论仍能以高精度注释记忆动力学在体尝试数据，我们假定皮质-内嗅对话和记忆 魔法 即便在受试者睡眠或麻醉时也会产生， 该研究的首要作者 Krishna Choudhary 博士说， 就像汽车不管是在怠速仍是以每小时 70 英里的速度行驶时，都表示得像一辆汽车一样。
UCLA 的研究人员随后又做出了另外一个斗胆的假定：在睡眠或麻醉时代，全部年夜脑皮层和内嗅皮层的动态可以经由过程仅两个神经元来捕获。这些假定将数十亿个神经元之间的彼此感化问题简化为仅两个自由变量 新皮层到内嗅皮层的输入强度和内嗅皮层内的频频毗连强度。固然这使得问题在数学上变得易在处置，但也提出了一个不言而喻的问题 这是真的吗？
假如我们只在体内数据上定量测试我们的理论，那末这只是有趣的数学游戏，而不是对记忆缔造 魔法 的深入理解， Mehta 说。
这一理论的要害尝试测试需要合著者 Thomas Hahn 博士进行复杂的尝试，他此刻是瑞士巴塞尔年夜学（Basel University）的传授和临床心理学家。
内嗅皮层是一个复杂的回路。为了真正测试这个理论，我们需要尝试手艺，不但可以或许高精度地丈量神经勾当，还能肯定神经元的切确剖解学特征， Hahn 说。
Hahn 和另外一位合著者 Sven Berberich 博士利用全细胞膜片钳手艺（Whole Cell Patch Clamp Technique，一种电心理手艺）丈量了来自内嗅皮层特定神经元的膜电位，然后利用剖解学手艺辨认神经元。同时，他们还丈量了顶叶皮层的勾当，顶叶皮层是新皮层的一部门，向内嗅皮层发送输入。
数学理论和复杂的体内数据是需要的，也很酷，但我们不能不面临另外一个挑战 若何将这个简单的理论映照到复杂的神经数据上？ Mehta 说。
这需要长时候的开辟，以生成一个 数学显微镜 ，可以直接揭露神经元在构成记忆时的内部工作道理， Choudhary 说， 据我们所知，这是史无前例的。
作者不雅察到，就像波浪构成然后撞击海岸线一样，当一小我或动物睡觉时，来改过皮层的旌旗灯号会在开启和封闭状况之间以必然的距离振荡。同时，内嗅皮层就像水中的泅水者一样，可以在海浪构成时向上移动，在海浪退去时向下移动。数据显示出星空体育app官方版最新下载了这一点，模子也捕获到了这一点。但 Mehta 暗示，利用这个简单的匹配模子后，模子自己就活跃了起来，并发现了一种新型的记忆状况，称为自觉性延续掉活状况（Spontaneous persistent inactivity）。
这就似乎波浪来了，内嗅皮层却说， 这里没有波浪！我会记住比来没有波浪，所以我要疏忽这个当前的波浪，完全不做出反映 。这就是延续掉活状况， Mehta 说， 别的，当皮层波消逝，但内嗅神经元记住比来有过波浪，并继续向前转动时，就会产生延续勾当。
固然很多工作记忆理论都显示了作者发现的延续勾当的存在，但模子猜测的延续掉活状况是史无前例的。
延续掉活状况的妙处在在，它几近不用耗能量，这与耗损年夜量能量的延续勾当状况分歧， Mehta 说， 更好的是，延续勾当和掉活状况的连系使记忆容量增添了一倍多，同时将代谢能量本钱下降了一半。
所有这一切听起来好得使人难以置信，所以我们真的把我们的 数学显微镜 推到了极限，进入了一个它本来没法工作的范畴， Choudhary 博士说， 假如显微镜是准确的，那末即便在非凡环境下，它也会继续完善地工作。
数学显微镜不但对内嗅皮层，还对其他很多脑区做出了十多项猜测。令我们完全惊奇的是，数学显微镜每次都有用， Mehta 继续说道， 数学理论的猜测与尝试之间如斯接近的完善匹配在神经科学中是史无前例的。
这个与尝试完善匹配的数学模子就是一台新的显微镜， Mehta 继续说， 它揭露了没有它任何现有显微镜都没法看到的工具。不管你拍摄了几多神经元，它都不会揭露这些。
事实上，代谢缺点是很多记忆障碍的配合特点， Mehta 说。Mehta 的尝试室此刻正在跟进这项研究，以领会复杂的工作记忆是若何构成的，和在阿尔茨海默病、掉智症和其他记忆障碍中，内嗅皮层呈现了甚么问题。
创建在1919年的加州年夜学洛杉矶分校
参考文献
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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原文题目:“数学显微镜”揭露了一种新奇、节能的工作记忆机制，即便在睡眠时代也能阐扬感化
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