以色列特拉维夫大学的研究人员已经证明,在大脑外培养的神经元可以被印刻上多种基本的记忆,这些记忆可以持续数天,而不会互相干扰或覆盖。
“主要成就在于我们利用了抑制性神经元的抑制作用”来刺激记忆模式,物理学家 Eshel Ben-Jacob 说,他是五月份发表在《物理评论 E》上的关于这项发现的论文的资深作者。“我们可能使[细胞培养物]触发了集体活动模式,这……[是]……可能的。”
Ben-Jacob 说,这些结果为神经记忆芯片的创造奠定了基础,这种芯片可以与计算机硬件配对,以创造出类 cyborg 机器,能够执行诸如检测空气中危险毒素、让盲人看到或帮助瘫痪者恢复部分甚至全部肌肉功能等任务。
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Ben-Jacob 指出,先前在脑细胞培养物(神经元及其支持和绝缘神经胶质细胞)上开发记忆的尝试通常涉及刺激突触(神经细胞连接)。所谓的兴奋性神经元,放大脑活动,约占大脑中神经元的 80%;抑制性神经元,抑制活动,约占剩余的 20%。用化学物质或电脉冲刺激兴奋性细胞会导致它们放电,或向邻近神经元发送自身的电信号。
根据 Ben-Jacob 的说法,先前尝试触发细胞在神经元群体中创建重复信号模式(神经科学家认为这构成了执行任务背景下的记忆形成)的实验,都集中在兴奋性神经元上。这些实验是有缺陷的,因为它们导致了随机升级的活动,而这并不模拟学习新信息时发生的情况。
这次,Ben-Jacob 和领导这项研究的研究生 Itay Baruchi 将目标锁定在抑制性神经元上,试图为他们的神经网络带来一些秩序。他们将细胞培养物安装在镶有电极的聚合物面板上,这使得 Ben-Jacob 和 Baruchi 能够监测放电神经元产生的模式。电极阵列上的所有细胞都来自大脑皮层,大脑皮层是大脑最外层,以其在记忆形成中的作用而闻名。
最初,当一组神经元聚集在一个网络中时,仅仅连接它们就会引起自发的活动模式。Ben-Jacob 和 Baruchi 试图通过向抑制性神经元之间的突触注射化学抑制剂来印刻记忆。他们的目标:破坏这些细胞的限制功能,本质上是使它们对网络中兴奋性成员的制动放松。“这就像解放式教学,”Ben-Jacob 说。“我们解放兴奋性神经元去做它们想做的事情。”
这对研究人员通过向抑制性神经元注射微滴苦味素(γ-氨基丁酸 (GABA) 的拮抗剂,GABA 是大脑中主要的抑制性神经递质)对抑制性神经元进行化学处理。抑制性神经元的化学抑制作用产生了一种模式,该模式由一个现在可以自由放电的邻近兴奋性神经元启动。培养物中的其他神经元开始一个接一个地放电,因为它们从邻居之一那里接收到电信号。这种情况以相同的模式持续下去,重复了一天以上。这种新的活动序列与神经元培养物最初连接时自发产生的电模式共存。
一天后,他们在不同的抑制性突触处印刻了第三种模式。同样,它能够与之前的其他模式共存。“令人惊讶的是,它不会影响网络之前拥有的其他模式,”Ben-Jacob 说。
作者总结道:“这些发现暗示,化学信号机制可能在执行任务的体内网络中的记忆和学习中起着至关重要的作用。”