我们的大脑是如何知道“这个”发生在“那个”之后的？两个人相遇、相爱，从此幸福地生活在一起——或者有时并非如此。发生在我们头脑中的事件顺序——一件事情接着一件事情发生——可能与最近在人类海马体中发现的所谓时间细胞有关。这项研究为我们的大脑如何在中间存在时间间隔的情况下了解记忆的开始和结束提供了证据。随着这些研究的继续，这项工作可能会为记忆恢复或增强策略铺平道路。
这项研究的重点是“情景记忆”，即记住过去经历的“内容、地点和时间”的能力，例如回忆你今天醒来后做了什么。这是正在进行的努力的一部分，旨在确定该器官如何创造此类记忆。
由法国国家科学研究中心的神经科学研究员莱拉·雷迪领导的团队，试图了解海马体中的人类神经元如何在学习步骤序列中表示时间信息，从而揭开大脑中时间细胞功能的神秘面纱。在今年夏天发表在《神经科学杂志》上的一项研究中，雷迪和她的同事发现，为了组织不同的体验时刻，人类时间细胞在每个任务期间的连续时刻放电。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
该研究进一步证实，时间细胞位于海马体中，海马体是关键的记忆处理中心。它们随着事件的展开而开启，提供体验中时间流逝的记录。“这些神经元可能在记忆在大脑中的表示方式中发挥重要作用，”雷迪说。“了解编码时间和记忆的机制将是一个重要的研究领域。”
该研究的共同作者、荷兰神经科学研究所视觉和认知部门的高级研究员马修·塞尔夫强调了这些海马体时间细胞在将体验编码为记忆中的作用的重要性。“当我们回忆起一段记忆时，我们不仅能够记住发生在我们身上的事情，还能记住我们在哪里以及何时发生在我们身上，”他说。“我们认为时间细胞可能是编码事件发生时间的潜在基础。”
虽然研究人员几十年来就知道啮齿动物大脑中存在时间细胞，但它们是去年年底才由德克萨斯大学西南医学中心的研究人员及其同事首次在人脑中被发现的。为了更好地了解这些细胞，雷迪和她的团队检查了癫痫患者的海马体活动，这些患者的大脑中植入了电极，以评估其病情的可能治疗方法。受试者同意在手术后参与两个不同的实验。
“在手术过程中，电极通过头骨上大约两毫米的小孔插入。这些孔被密封，直到患者从手术中恢复过来，并在癫痫监测室（EMU）中用植入的电极监测长达两周，”塞尔夫说。“我们在患者在EMU中执行任务时记录海马神经元活动，时间大约为术后一周。”
在第一个实验中，研究参与者被呈现一系列五到七张不同人物或场景的图片，这些图片以预定的顺序重复多次。给定的图像，例如一朵花，显示 1.5 秒，然后是半秒的暂停，然后再显示另一张图像——例如一只狗。在整个会话中随机 20% 的图像间隔中，图片游行停止，参与者必须在继续之前决定两张图像中的哪一张是序列中正确的下一张。研究人员发现，在整个序列重复 60 次的过程中，所有时间敏感的神经元都在测验之间的特定时刻放电，无论显示哪张图像。
第二个实验遵循相同的设计，只是在序列重复固定次数后，显示一个黑色屏幕 10 秒——一个旨在分散注意力的间隙间隔。对于一半的参与者，这些间隔发生在序列每重复五次之后（导致实验中有六个间隙）。对于其余参与者，它们发生在序列每重复两次之后（导致 15 个间隙）。该序列仅重复了 30 次。
第二个实验中的参与者在记录大脑中单个细胞的电活动的同时，接受了关于图像在序列中顺序的测验。一些神经元在一个时刻放电，对应于特定的图像。另一些则在另一个时刻为不同的图像放电。对应于特定图像的时间细胞仍然在未显示图像的 10 秒间隙中开启。这些间隙似乎有助于受试者记住更多的图片及其正确的顺序。在间隙期间，约 27% 的时间细胞被激活。
为了解决时间信息是否存在于海马神经元活动中的问题，研究人员刺激了时间细胞神经元的一个子集，这些神经元是响应图像而激活的。每个神经元的放电活动被建模为时间、图像身份以及时间段是否对应于图像或刺激间间隔 (ISI) 期间（图片之间 0.5 秒的间隙）的函数。
研究人员可以根据整组神经元的活动解码不同的时间时刻——这证明人脑包含时间跟踪神经元。“我们认为海马体中的时间细胞群体代表了几个不同且重叠的时间尺度，”塞尔夫说。“这些细胞的活动贯穿整个试验，为事件提供时间戳。”然而，这些细胞也代表我们记忆的内容（“内容”以及“时间”）这一事实使事情变得更加复杂，他解释说。“我们不完全理解记忆是如何编码的，”塞尔夫说，“但整个海马体的活动模式似乎同时为我们提供了体验的时间戳和内容。”
塞尔夫补充说，这些信息可能与指示体验背景的信号相结合，但需要进一步研究才能了解这种机制。“编码你在一个事件开始时看到了你的朋友是没有用的，而没有同时编码背景——即事件涉及‘在超市里走动’，”他说。“我们未来的研究旨在了解时间信息如何与背景信息相结合，为我们的记忆提供时间结构。”
结果似乎与之前在大鼠身上进行的研究相似，这些研究表明时间细胞与“概念细胞”相同，后者对同一刺激的不同表示做出反应——这些细胞既编码概念也编码时间。“大鼠海马体中的时间细胞也是位置细胞，当大鼠位于特定位置时会做出反应，”塞尔夫说。“似乎海马细胞是多维的，可以在其放电模式中编码我们体验的不同方面。”
加州大学圣地亚哥分校神经生物学部门主席斯特凡·勒特格布评论说，这篇论文回答了关于人类时间细胞的一个关键问题。“目前的研究做出了几个重要贡献。首先，它进一步证实时间细胞不仅在啮齿动物海马体中很常见，而且在人类海马体中也可以高比例地观察到，”未参与这项工作的勒特格布说。“事实上，与之前的研究相比，在本研究中人类检测到的时间细胞比例更高。”
这些发现可能解释了为什么一些海马体（每个大脑半球各有一个）受损的人可以记住事件，但在将事件按正确顺序排列时遇到困难——这是阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病患者的问题。“希望对记忆功能的细胞贡献的清晰理解将使我们更接近于理解为什么记忆功能在某些疾病中会丧失，以及如何治疗这些疾病，”奥斯陆大学生理学副教授约尔根·舒格说，他没有参与这项新研究。
该领域的研究人员期待进一步开展这项工作。“下一步是开发调节时间细胞和时间细胞回路活动的非侵入性或侵入性方法，”德克萨斯大学西南分校神经外科副教授布拉德利·莱加说，他是去年首次记录人类大脑中存在时间细胞的研究的资深作者。“这可能为记忆恢复或增强提供神经调节策略。还可以监测时间细胞的活动，以确定在进行此类手术期间施加电脉冲时会发生什么。”
一些科学家认为，这项工作可能有助于有一天开发“记忆假体”——一种允许计算机通过放置在大脑中的电极插入或删除记忆的技术。这样一步会引发关于操纵记忆的伦理问题，但这可能还不太可能实现。
这项潜在技术也可用于治疗创伤后应激障碍或阿尔茨海默病。“开发此类设备以便可以删除或插入记忆可能很诱人，但我不明白如何监管这些设备以防止滥用（插入虚假记忆或删除重要记忆），”约尔根说。“我认为更合理的策略是将我们的努力集中在预防记忆障碍的治疗上。”
“我希望在人类身上进行的工作可以揭示时间细胞实际上是如何促成独特的一次性记忆的编码和回忆的，”他补充道。“那么，当这项新兴研究将被用于帮助我们理解我们的大脑如何在事件之间存在时间间隔的情况下知道记忆的开始和结束时，人类将是乐观的。”