利用光和機器學(xué)習(xí)研究，闡明“創(chuàng)傷記憶”在腦內(nèi)形成的原理

創(chuàng)傷記憶的神經(jīng)細胞網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)生機制尚不明確

生理學(xué)研究所10月6日宣布，利用光學(xué)和機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的新手法，成功檢測出與創(chuàng)傷記憶相關(guān)的腦神經(jīng)細胞網(wǎng)絡(luò)，捕捉到伴隨記憶形成的復(fù)雜變化，明確了創(chuàng)傷記憶的形成機制。

該研究由該研究所的揚妻正和副教授（現(xiàn)在兼任量子生命科學(xué)研究所）、鍋倉淳一所長、大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所的永井健治教授等研究小組和東京大學(xué)、玉川大學(xué)、墨西哥自治大學(xué)、名古屋大學(xué)、大阪大學(xué)的國際共同研究小組組成。研究成果發(fā)表在《Nature Communications》上。

控制恐懼心理在人和動物的生活中非常重要。另一方面，像所謂的創(chuàng)傷記憶一樣，強烈的恐怖體驗的記憶，也經(jīng)常會被日常生活中無關(guān)的感覺刺激喚醒。這些被稱為“侵入性回憶”或“閃回”，是由于毫無關(guān)聯(lián)地引起的痛苦、痛苦，給實際生活帶來了各種各樣的不自由，這是一個很大的問題。

從20世紀(jì)初開始，有關(guān)創(chuàng)傷性記憶的研究就非常活躍。例如，老鼠在聽聲音的過程中，如果受到微弱的電刺激，就會表現(xiàn)出恐懼反應(yīng)。學(xué)習(xí)第二天，即使不給予電刺激，只要聽到聲音就會表現(xiàn)出恐懼反應(yīng)，說明對聲音已經(jīng)形成了創(chuàng)傷記憶。這是一種被稱為“恐怖聯(lián)合學(xué)習(xí)”的機制，當(dāng)同時經(jīng)歷本來無害的聲音和原本討厭的弱電刺激時，就會對聲音產(chǎn)生恐懼心，使用該實驗系的模型動物的腦科學(xué)研究，包括創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）等被認為對闡明與創(chuàng)傷相關(guān)的精神疾病的機制是有效的。

大腦是控制情緒、情緒以及相關(guān)記憶的重要器官。很多研究都指出，控制創(chuàng)傷記憶的大腦皮層的“前額葉皮質(zhì)”有很大的作用。近年來的研究表明，創(chuàng)傷記憶是由許多神經(jīng)細胞集團保持的。一般認為，腦神經(jīng)細胞通過集體組成網(wǎng)絡(luò)，像計算機一樣進行信息處理。但是，目前還不清楚是否存在處理創(chuàng)傷記憶的神經(jīng)細胞網(wǎng)絡(luò)，也不知道這些細胞集團是以怎樣的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。如果能進一步理解創(chuàng)傷記憶的網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)生機制，有望為PTSD等難治性精神疾病的治療方法開發(fā)帶來新的突破口。

開發(fā)并分析前額葉大型神經(jīng)細胞群活動的長期記錄方法

因此，研究小組著手闡明大腦的前額葉皮質(zhì)中記憶的精神創(chuàng)傷的實際情況。以老鼠為對象，通過聲音、弱電刺激的恐怖聯(lián)合記憶實驗系統(tǒng)進行了研究。

為了調(diào)查創(chuàng)傷記憶產(chǎn)生的機制，比較其成立前后同一細胞集團的活動是很重要的。在“in vivo 2光子成像”的基礎(chǔ)上，利用“光”對活體動物的大腦進行長期測量，并將“微創(chuàng)棱鏡埋入法”和“在成像過程中實施記憶課題的新裝置”進行了綜合，開發(fā)出了新方法。這樣一來，就可以在創(chuàng)傷體驗前后，對位于腦深部的前額葉皮質(zhì)進行大規(guī)模的神經(jīng)活動觀察，從神經(jīng)細胞集團的活動“變化”中捕捉創(chuàng)傷記憶的實體。

當(dāng)體驗被創(chuàng)傷化時，神經(jīng)細胞集團形成了新的功能網(wǎng)絡(luò)

并且，與以往的研究不同，在鑒定創(chuàng)傷記憶的神經(jīng)細胞集團的基礎(chǔ)上，追溯記憶獲得前的神經(jīng)活動數(shù)據(jù)來檢測差異，以闡明“記憶產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)”為目標(biāo)。試圖通過解讀大規(guī)模神經(jīng)活動數(shù)據(jù)來識別與創(chuàng)傷記憶（學(xué)習(xí)后發(fā)生的恐懼反應(yīng)）密切相關(guān)的神經(jīng)細胞集團，但用傳統(tǒng)方法很難實現(xiàn)。其原因之一是，作為觀察對象的前頭前野除了恐怖記憶以外，還同時控制著很多信息和腦功能。并且，利用被稱為彈性網(wǎng)的機械學(xué)習(xí)解析的檢測力的高度，成功開發(fā)了“高精度篩選承擔(dān)創(chuàng)傷記憶的神經(jīng)細胞集團的方法”。另外，通過圖形建模這一新的數(shù)理分析技術(shù)，計算了承擔(dān)創(chuàng)傷記憶的集團中神經(jīng)細胞之間如何相互控制、“神經(jīng)細胞網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的功能結(jié)合狀態(tài)”，詳細調(diào)查了創(chuàng)傷記憶的實體。

結(jié)果表明，創(chuàng)傷體驗后新產(chǎn)生的“創(chuàng)傷記憶的神經(jīng)細胞網(wǎng)絡(luò)”，是通過體驗增加特定細胞集團的內(nèi)部結(jié)合（功能結(jié)合）而形成的。進一步發(fā)揮圖形化建模的特性，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化進行了詳細調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與引發(fā)創(chuàng)傷記憶的“弱電刺激”相關(guān)的神經(jīng)細胞，與原本無害的“聲音”相關(guān)的神經(jīng)細胞，并無關(guān)系。但是，在經(jīng)歷創(chuàng)傷后，又形成了新的功能連接（形成網(wǎng)絡(luò)）。由此可見，“聯(lián)合電路”已經(jīng)誕生。

以在創(chuàng)傷體驗中活躍的細胞為“中樞”，形成依賴經(jīng)驗的中樞網(wǎng)絡(luò)

此外，還觀察到“弱電刺激”的神經(jīng)細胞具有成為創(chuàng)傷記憶網(wǎng)絡(luò)“中樞”的傾向。這些結(jié)果表明，創(chuàng)傷記憶以對“創(chuàng)傷體驗（弱電刺激）”活動強烈的細胞為中樞，形成了“經(jīng)驗依賴性中樞網(wǎng)絡(luò)”。此外，在因用于治療PTSD的“消除學(xué)習(xí)”而難以產(chǎn)生恐怖反應(yīng)的小鼠中，還觀察到這些神經(jīng)細胞群的活動及其信息處理失敗，這也表明特異性地抑制該創(chuàng)傷存儲網(wǎng)絡(luò)的活動和信息處理是治療的關(guān)鍵。

有望成為PTSD等難治性精神疾病的新突破口

通過這次的研究，在世界上首成功捕捉到“當(dāng)體驗變成創(chuàng)傷時，以對恐怖體驗做出強烈反應(yīng)的神經(jīng)細胞為中心，形成了新的信息處理網(wǎng)絡(luò)，處理有關(guān)恐怖記憶的信息”。

研究小組表示：“將來，如果能抑制這些細胞的功能，就有可能緩解PTSD等創(chuàng)傷記憶帶來的危害。另外，此次開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法，也許會成為精神疾病治療藥物效果的新指標(biāo)。”