当著名的神经病学病人亨利·莫莱森在 1953 年接受手术切除大脑海马体以治疗癫痫时，科学界对记忆的理解可能意外地得到了有史以来最大的推动。莫莱森丧失了形成新事件记忆的能力，他对前一年发生的任何事情的回忆都受到了严重损害。其他类型的记忆，如学习身体技能，则未受到影响，这表明海马体专门处理事件的回忆——被称为“情景”记忆。
对其他海马体受损患者的进一步研究证实，近期记忆比久远记忆受损更严重。海马体似乎为新信息提供临时存储，而其他区域可能处理长期记忆。我们后来能够记住的事件似乎被引导到皮层（大脑外层，负责计划和解决问题等高级功能）中进行更永久的存储。在皮层中，这些记忆逐渐形成，与相关信息整合，从而构建关于我们自己和世界的持久知识。
旨在长期存储的情景记忆积累起来，形成了对我们的身份感至关重要的“自传体”记忆。神经科学家对短期记忆在大脑中如何形成了解很多，但长期存储背后的过程仍然不太清楚。
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神经科学家利根川进及其在日本理化学研究所-麻省理工学院神经回路遗传学中心的同事们本月在《科学》杂志上发表的一项新研究，深入了解了长期记忆形成时大脑中发生的情况，突出了皮层前部的关键作用。“这是迄今为止我们拥有的关于前额叶皮层对记忆检索贡献的最详细的回路分析，”德克萨斯州农工大学学院站分校的神经科学家斯蒂芬·马伦说，他没有参与这项工作。
利根川小组的新研究建立在之前的研究基础上，之前的研究表明，情景记忆在物理上由海马体部分区域的细胞群代表。在那些研究中，研究人员对小鼠进行了基因改造，使其某些神经元产生光敏蛋白。神经元中的电活动和化学活动随后可以通过光纤电缆传递的光脉冲来激活或关闭，光纤电缆植入每只小鼠的头骨中，这是一种称为光遗传学的技术。
有线小鼠被给予一种药物，该药物阻断光敏蛋白的产生。让小鼠停止服药后，当它们探索新环境时放电的细胞能够产生蛋白质，从而有效地为该环境的记忆“标记”。这些细胞群，被称为记忆“印迹”，然后可以通过光纤束进行控制。
有了这些工具，研究人员在一些围栏中对小鼠的脚进行了电击，但在其他围栏中则没有。当小鼠被放回之前被电击的环境中时，它们会僵住，这表明存在“恐惧记忆”。当研究人员激活印迹时，这会引发同样的恐惧反应。记忆的情感方面是分开存储的，在一个称为杏仁核的区域——但激活海马体中的印迹会激活所有链接的组件，从而带回完整的记忆。这类似于声音或气味如何触发对一个人生活中过去经历的广泛回忆。
在新研究中，研究人员训练小鼠将特定的笼子与足部电击联系起来。然后在接下来的长达三周的不同日子里测试它们对所发生事情的记忆。研究人员标记了皮层中的印迹细胞，然后用光激活它们，导致小鼠在它们从未被电击过的环境中僵住。研究小组发现，在训练后两天，这些皮层印迹无法通过自然线索（被放回它们被电击的围栏中）激活，但在 13 天后可以通过自然线索激活。
这一发现表明，尽管皮层印迹立即形成，但它们最初处于利根川所说的“沉默”状态，这意味着它们无法通过自然线索激活。印迹仅在两周后成熟为“活跃”状态，在这种状态下，它们可以对这种线索做出反应。相比之下，海马体印迹细胞在接受足部电击后的第二天被自然线索激活，但在第 13 天没有被激活——这表明海马体中的印迹立即变得活跃，但逐渐消退为“沉默”状态。
利根川的研究表明存在互补的记忆系统：一个允许快速记忆形成但容量有限，因此需要将应该保留的信息传递给另一个系统，该系统持续时间更长但作用较慢。这释放了海马体中的空间，然后可以重复使用。“这里存在分工。海马体可以非常快速地形成活跃记忆，而皮层则负责长期稳定性，”利根川解释说。“如果你不需要持久记忆，海马体就足够了；如果你不必快速形成活跃记忆，皮层就足够了；但我们两者都需要。”
这些发现有助于阐明皮层记忆何时以及如何形成。一种先前的理论认为信息会缓慢转移到皮层中，但利根川的发现支持了另一种观点，即皮层印迹是立即形成的，但需要时间才能发展。“这项工作解决的关键问题是记忆印迹是否会随着时间的推移从海马体转移到皮层存储位点，还是在学习期间在皮层中建立并在时间推移中被揭示出来，”马伦说。“这是后者的有力证据。”
该团队还表明，在记忆测试期间阻断从海马体到杏仁核的输入会损害短期记忆表现（在第二天和第八天测试）——但不会损害久远记忆（在第 15 天和第 22 天测试）——而阻断从皮层到杏仁核的输入则显示出相反的模式。换句话说，杏仁核中的记忆印迹始终保持不变，并且是回忆恐惧记忆所必需的——但杏仁核需要连接到哪个区域才能使记忆发挥作用发生了变化。“让小鼠记住记忆的恐惧[方面]的细胞从第 1 天到三周后都保持不变，”利根川说。“但是连接的使用方式发生了转变：在三周时，当海马体印迹不再活跃时，前额叶皮层印迹和杏仁核印迹之间的连接允许动物回忆起恐惧记忆。”
波士顿大学记忆与脑中心主任、神经科学家霍华德·艾肯鲍姆说，这项研究“为特定神经元在学习期间和学习后特定时间以必要方式对特定形式的记忆做出贡献的地点和时间提供了令人信服的证据”，他没有参与这项研究。尽管这是一项技术上的杰作，但这篇论文仍留下了一些悬而未决的问题：“这项研究没有告诉我们是否还有其他细胞对这种记忆很重要，或者关于其他类型的记忆，”他说。他补充说，最重要的是，它只告诉我们某些细胞，在特定时间的某些区域，会产生记忆——而不是它们如何促成这样做。“前额叶皮层贡献了什么样的信息处理，”他说，“这对学习或在不久之后的检索来说不是必需的，但会在一段时间后变得必不可少？” 涉及的每个区域都有不同的功能，并以不同的方式处理信息。没有一个区域专门用于记忆，记忆是由这些神经系统处理经验时留下的痕迹组成的。例如，海马体使用“位置”细胞来表示空间信息，这些细胞绘制环境地图，这可能解释了它如何有助于情景记忆的“地点”组成部分。目前尚不清楚前额叶皮层处理的作用是什么，但艾肯鲍姆推测，它在组织和选择替代方案中的作用可能随着记忆年龄的增长而变得越来越重要。
关于记忆如何运作的更清晰的图景正在慢慢开始出现，这些新发现将有助于推动对各种记忆的进一步研究。