揭开人类记忆复杂线路的奧秘

我们许多人珍惜与祖父母一起度过的那些特别时光，坐在温暖的壁炉旁，被他们生动的往事吸引，充满了丰富的细节和些许的想象。人类大脑在一生中擅长储存和回忆记忆。简单的触发因素，如气味、地方或熟悉的场景，可以唤醒记忆，因为我们的大脑利用这些连接来填补空白。这一令人印象深刻的记忆检索过程被称为联想记忆。

我们对神经科学的理解大多来自广泛研究的动物模型，特别是啮齿类动物，这些动物对科学研究至关重要。然而，人类大脑仅仅是更大版本的鼠脑，还是具备独特的特征？ISTA的研究人员与维也纳医科大学的神经外科医生一起，正在探讨人类大脑如何创造和检索联想记忆。ISTA的生命科学教授玛格达莱娜·瓦尔茨和博士后研究员杰克·沃森与维也纳医科大学神经外科系的卡尔·罗斯勒教授合作。他们研究了接受神经外科手术的癫痫患者的样本，直接从健康、活体人类组织中获得了洞见。

人类没有“巨大的鼠脑”

海马体是大脑中与学习和形成联想记忆相关的区域，其中一个特定的部分CA3负责存储和处理信息，同时还完成记忆模式。由于健康人类脑组织的有限可获得性，大多数研究集中在动物模型上。乔纳斯和沃森通过与罗斯勒合作，解决了这一挑战，后者是一位专门治疗困难癫痫病例的神经外科医生。“虽然这些患者可能会呈现出各种临床症状，但罗斯勒教授发现了一组具有完整海马体的癫痫患者，”乔纳斯解释说。科学家们抓住了这个独特的机会。“在这种情况下，单侧海马体的切除对于给患者康复的机会至关重要，”乔纳斯澄清道。他们从17名同意参与研究的癫痫患者那里获得了完整的海马体组织。使用最先进的实验方法——包括多细胞片段钳记录以评估神经元的动态功能特性和超分辨显微镜——他们取得了突破性的结果。人类CA3区域的神经连接更为稀疏，传递信号的突触看起来更均匀和精确，而不是镜像已知的鼠海马体。此研究揭示了人类大脑的独特接线特征。

“感觉我们一无所知”

尽管人类海马体与啮齿动物之间在细胞结构和突触连接上存在显著差异，但动物研究的数据仍然是无价的。它提供了基准，并帮助科学家开发研究人类组织的技术。“作为一名来自啮齿动物研究背景的人，我最初认为我们对海马体已经了解一切，”沃森承认。“然而，当我开始检查最初的患者样本时，明显意识到关于人类海马体还有多少未知之处。尽管这是啮齿动物中研究最透彻的脑区，但就人类生理、细胞结构和连接性而言，我们感觉像是从头开始。”因此，沃森和乔纳斯不得不设法开发新方法来研究人类的这一脑区。

模拟人类大脑的计算能力

结合他们的实验发现，团队旨在创建一个人类海马体CA3网络计算能力的模型。他们发现人类特有的神经电路和突触连接使他们能够评估记忆存储和检索的可靠性。“我们能够评估在这个模型中可以容纳多少模式，证明独特的稀疏突触连通性和增强的可靠性提高了记忆存储能力，”乔纳斯解释道。研究揭示了人类CA3网络如何有效编码信息，以优化联想和记忆存储。

生理学家职业生涯中最美好的一天

这项研究改变了科学家和医疗专业人士理解人类大脑的方式。“我们的研究强调了有必要重新评估我们对大脑功能的理解，以人类为立场。即使在使用啮齿动物模型的未来研究中，也应该考虑人类特征，”乔纳斯表示。科学家们将他们的成功归功于适当的神经外科医生与生理学家之间有效的合作。“罗斯勒教授致力于推动基础研究，并开发了先进的技术，以便在最佳条件下获取患者组织用于实验室分析，”沃森强调道。这种合作使ISTA研究人员获得了一个稀有的科学资源：完整、活体的人类脑组织。由于组织的获取依赖于外科手术，研究人员每几个月就会不定期收到新的生物材料，迫使他们频繁调整实验室的操作，有时暂停其他项目以适应新的人体样本。“想到当天早上接受手术的癫痫患者正在医院康复，而我们正在研究他们脑组织的新鲜、完整的切片，这种感觉令人难以置信，”路易斯回忆道。“回顾我的生理学家职业生涯，那一天我们首次在实验室收到人类组织的时刻是最辉煌的时刻。”

关于人类患者组织样本的信息

人类组织样本来自17名患有颞叶癫痫的个体，采集时获得了告知同意。这项研究获得了维也纳医科大学伦理委员会的批准（MUW （EK Nr: 2271/2021））。更多详细信息可以在论文的实验模型和参与者详情部分找到。

关于人类尸检组织样本的信息

从阿姆斯特丹正常老龄化大脑收集库（NABCA）生物库获得了三块（约1 cm³）的尸检组织（项目协议METC: 2023.0733; ISTA伦理委员会申请：2023-03）。更多详细信息可以在论文的实验模型和参与者详情部分找到。

关于动物研究的信息

为了增强我们对神经科学、免疫学或遗传学等领域基本过程的理解，动物在研究中是必不可少的。替代方法，例如计算机模拟模型，无法替代这一必要性。这些动物在严格的指导方针下繁殖、饲养和处理。涉及动物的研究是在ISTA进行的。