神經(jīng)元能夠標(biāo)記時(shí)間嗎？

編譯 毛毛熊

2007年6月，馬來西亞人年輕人（19歲）阿爾伯特·曹（Albert Tsao）在挪威特隆赫姆的卡夫利系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)研究開始了他的工作。曹當(dāng)時(shí)是梅-布里特·莫澤( May-Britt Moser)和愛德華·莫澤（Edvard Moser）實(shí)驗(yàn)室的一位暑期實(shí)習(xí)生，這對(duì)夫妻搭檔是當(dāng)時(shí)神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域聲名顯赫的科學(xué)家，他們發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)中的“網(wǎng)格細(xì)胞”（這是一類特殊的神經(jīng)元，可以通過追蹤我們的位置在人類大腦中生成導(dǎo)航地圖）。

網(wǎng)格細(xì)胞位于大腦內(nèi)側(cè)的內(nèi)嗅皮層區(qū)。曹對(duì)于相鄰但未知的區(qū)域——外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)（L. E. C.）感到非常好奇。于是他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一些大鼠的外側(cè)內(nèi)嗅皮層中植入了一些微小的電極后，讓這些大鼠在一系列盒子中覓食谷物巧克力。這些盒子有黑色的，也有白色的。他記錄下大鼠在覓食過程中單個(gè)神經(jīng)元電信號(hào)的變化，以期能夠找到某種規(guī)律性模式，在發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒有明顯的電信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，他把這些數(shù)據(jù)暫時(shí)放在了一邊。

時(shí)光飛逝，曹轉(zhuǎn)眼成為特隆赫姆實(shí)驗(yàn)室的博士研究生。2014年，莫澤夫婦與其他人分享了諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。到了2015年，就在曹博士畢業(yè)之前，他決定再看看外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。8年前，當(dāng)他檢測(cè)大鼠在覓食過程中神經(jīng)元的個(gè)體變化時(shí)，這些神經(jīng)元似乎在不穩(wěn)定的模式中發(fā)射電信號(hào)，這些放電模式看起來毫無意義。這一次，他對(duì)數(shù)據(jù)使用了一種不同尋常的統(tǒng)計(jì)分析方式，重點(diǎn)關(guān)注是這些神經(jīng)元發(fā)射電信號(hào)的綜合模式。當(dāng)他仔細(xì)查看這些數(shù)據(jù)時(shí)，他開始有一種預(yù)感，神經(jīng)元似乎以某種方式參與標(biāo)識(shí)了時(shí)間的變化。

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，在莫澤實(shí)驗(yàn)室，曹聯(lián)合同事們開展了更多的實(shí)驗(yàn)。讓大鼠在黑、白兩色盒子中進(jìn)行了多達(dá)12輪的覓食活動(dòng)，同時(shí)收集神經(jīng)元的電信號(hào)。等這個(gè)新實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，曹已經(jīng)搬回美國，并在美國對(duì)獲取的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究在所有大鼠覓食探險(xiǎn)過程中外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)神經(jīng)元整體電信號(hào)的活動(dòng)。結(jié)果顯示似乎大腦區(qū)域?qū)γ看我捠郴顒?dòng)都分別做了記錄。曹接著還分析了另一組數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)來自于一個(gè)大鼠圍繞八字形迷宮連續(xù)運(yùn)動(dòng)的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)。 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，外側(cè)內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元沒有分開運(yùn)行，而是所有激活的神經(jīng)元發(fā)射電信號(hào)堆疊在彼此之上。然而，在每個(gè)單獨(dú)的試驗(yàn)中，神經(jīng)元似乎標(biāo)記了動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)過程中的不同地點(diǎn)的進(jìn)展。

曹現(xiàn)在是斯坦福大學(xué)的博士后。2018年秋天早些時(shí)候在帕洛阿爾托見到他時(shí)，這篇文章已經(jīng)發(fā)表在9月《自然》雜志上。在這篇文章中，研究人員也有些爭論，主要圍繞外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)中的神經(jīng)元通過創(chuàng)建“時(shí)間戳”（timestamps）的方式記錄事件展開順序。根據(jù)動(dòng)物的不同經(jīng)歷，細(xì)胞發(fā)射電信號(hào)模式發(fā)生的變化現(xiàn)象表明外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)不是通過手表那樣的方式來測(cè)量時(shí)間。而恰恰相反，曹認(rèn)為：“它是通過編碼進(jìn)行中的經(jīng)歷來記錄?！?/p>

大腦皮層究竟如何記錄我們記憶的時(shí)間、地點(diǎn)和內(nèi)容一直是神經(jīng)科學(xué)家長期以來想迫切了解的內(nèi)容。目前認(rèn)為網(wǎng)格細(xì)胞有助于編碼人類記憶中事件發(fā)生的位置。在一個(gè)視頻電話中，梅-布里特解釋了L. E. C.的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元細(xì)胞結(jié)構(gòu)是如何管理人類的記憶。 （梅-布里特和愛德華仍然在一起管理著他們的實(shí)驗(yàn)室，但他們?cè)?016年離婚了。）目前，研究人員推測(cè)，大鼠大腦可以區(qū)分當(dāng)前的一次覓食活動(dòng)與下一次覓食活動(dòng)，因此大鼠大腦的外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)為每次覓食活動(dòng)形成單獨(dú)的“時(shí)間戳”。相比之下，大鼠圍繞“八字形軌道運(yùn)動(dòng)”的軌跡非常相似，以至于大腦很難將這些運(yùn)動(dòng)軌跡彼此分開。愛德華說道：“結(jié)果，‘時(shí)間戳’變得彼此重疊并且難以區(qū)分?！?/p>

曹和愛德華認(rèn)為，外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)的時(shí)間編碼系統(tǒng)可能是目前我們對(duì)時(shí)間進(jìn)行主觀感知的基礎(chǔ)。他們的理論基礎(chǔ)是海馬體中的神經(jīng)元，依賴于外側(cè)和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層中定位和編碼時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)信息的輸入。“我們認(rèn)為，同種類型的細(xì)胞能夠獲得空間和時(shí)間的信息。”愛德華通過SKYPE發(fā)布了上述這些信息。一旦兩種類型輸入的信息“混合在一起”，大腦記憶就獲得了事件發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)。

近些年來，圍繞海馬神經(jīng)元系統(tǒng)中其他類型的“內(nèi)部時(shí)鐘”的研究工作，使得神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一個(gè)蓬勃發(fā)展的子學(xué)科。波士頓大學(xué)的研究人員于2011年發(fā)現(xiàn)了“時(shí)間細(xì)胞”，標(biāo)志著神經(jīng)系統(tǒng)“時(shí)鐘”的分秒運(yùn)動(dòng)模式被發(fā)現(xiàn)；2011年10月，美國西北大學(xué)的生物學(xué)家宣布，他們?cè)诖竽X內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層中發(fā)現(xiàn)了一組神經(jīng)元，這組神經(jīng)元在動(dòng)物處于等待狀態(tài)時(shí)會(huì)像鐘表一樣開啟。

曹的實(shí)驗(yàn)分析也發(fā)現(xiàn)一些外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)的神經(jīng)元顯示出類似計(jì)時(shí)器一樣的電信號(hào)發(fā)射模式。在大鼠盒子覓食實(shí)驗(yàn)中，有些細(xì)胞在每次實(shí)驗(yàn)過程中電信號(hào)的發(fā)射都會(huì)減慢，就像音樂盒播放音樂一樣；而另外一部分細(xì)胞在12次實(shí)驗(yàn)過程中都出現(xiàn)電信號(hào)衰退的現(xiàn)象，而且持續(xù)了一個(gè)多小時(shí)。在大腦的其他區(qū)域中，研究人員也研究過各種類型的“神經(jīng)元計(jì)時(shí)器”。

然而，研究人員對(duì)這些神經(jīng)元細(xì)胞究竟通過這種現(xiàn)象在記錄什么也存在著激烈的爭論。紐約大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家哲爾吉·布扎基（Gy?rgy Buzsáki）因其對(duì)“神經(jīng)元語法”的解碼工作而備受關(guān)注，該神經(jīng)元語法允許使用尖峰神經(jīng)元的集合對(duì)信息進(jìn)行解碼。布扎基指出，實(shí)驗(yàn)人員觀察到與時(shí)間測(cè)量相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)這一事實(shí)并不意味著他們已經(jīng)找到大腦計(jì)算或標(biāo)記時(shí)間的機(jī)制，需要通過實(shí)驗(yàn)顯示大腦的其他區(qū)域能夠讀取并且使用這些暫時(shí)性的信號(hào)才有說服力。

對(duì)于我們大多數(shù)人來說，不言而喻的是，人類的大腦一定具有某種類似時(shí)間“感應(yīng)”的東西——一種可以跟蹤記錄時(shí)間流逝的系統(tǒng)，它可以檢測(cè)到可見世界的變化。布扎基在近期的一次討論中提到了這一點(diǎn)。無論我們的神經(jīng)元在感知過程中測(cè)量什么，它都不是以時(shí)鐘的方式進(jìn)行標(biāo)記。此外，他還認(rèn)為，時(shí)間和時(shí)鐘都是人類社會(huì)文化構(gòu)建的產(chǎn)物，即當(dāng)代社會(huì)繼承了祖先的傳統(tǒng)。一些原始部落與我們體驗(yàn)時(shí)間的方式截然不同。

“它一定測(cè)量了其他某種東西，比如說變化、速度或者加速度，我們大腦確實(shí)具有某種傳感器的功能?！辈荚J(rèn)為。如果如這樣所想的話，大腦對(duì)“時(shí)間”的處理，并不是一種用“追蹤”或者“衡量”的方式去絕對(duì)化地理解，它更像是一個(gè)組織體系，感知周圍世界的變化并且協(xié)調(diào)我們的生活。

愛德華完全同意“當(dāng)然時(shí)間就是一種變化”這種理解。如果用另外一種方式描述他的實(shí)驗(yàn)室對(duì)外側(cè)內(nèi)嗅皮層區(qū)實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果，即揭示了實(shí)驗(yàn)過程中不斷變化的活動(dòng)順序?！拔覀兛梢苑Q之為‘情景性時(shí)間’，以區(qū)別于‘時(shí)鐘時(shí)間’，”他說，“我們必須賦予它一個(gè)名字，否則將其稱為‘變化率’顯然更無法幫助我們理解。”

特隆赫姆的研究小組認(rèn)為，外側(cè)內(nèi)嗅皮層的時(shí)間信號(hào)分布在數(shù)千個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞上，這些神經(jīng)元以幾十秒到一個(gè)多小時(shí)的尺度來表達(dá)時(shí)間。神經(jīng)科學(xué)家通過各種方法試圖確定這些神經(jīng)元的特定功能，愛德華在SKYPE描述了其中一些測(cè)量方法。一種方法是阻斷大鼠的外側(cè)內(nèi)嗅皮層的活動(dòng)，然后研究動(dòng)物如何通過記憶一系列的時(shí)間來完成特定的任務(wù)。檢查阿爾茲海默癥患者也可以提供類似的線索：內(nèi)嗅皮層區(qū)是患病后受到影響的第一個(gè)大腦區(qū)域，患者大腦出現(xiàn)導(dǎo)航記憶的問題也是罹患這種疾病的標(biāo)志。

然而，從另一個(gè)角度來看，時(shí)間神經(jīng)科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)只是說明了我們對(duì)時(shí)間知之甚少。我們認(rèn)為我們知道什么是時(shí)間，但是，時(shí)間的本質(zhì)是一個(gè)謎，在整個(gè)學(xué)科和數(shù)千年中都是令思想家感到沮喪的未解之謎。奧古斯丁在第四世紀(jì)指出的悖論—— “那么，時(shí)間是什么？如果沒有人問我，我知道答案；如果我想向那個(gè)提問的人解釋，我其實(shí)不知道答案” 。直到今天仍然如此。

資料來源 The New Yorker