原文作者：Traci Watson
小鼠研究發現了能預防“災難性遺忘”的機制。
人工上色的小鼠海馬區的神經纖維。海馬區是編碼新記憶的腦區。來源：Mark & Mary Stevens Neuroimaging & Informatics Institute/Science Photo Library
新線索揭示了大腦如何防止出現“災難性遺忘”（catastrophic forgetting）。災難性遺忘是指新記憶出現後使之前建立的記憶被扭曲和覆蓋。
一個研究團隊發現，至少在小鼠中，大腦會在相互隔離的不同睡眠階段處理新記憶和老記憶，這或能防止兩種記憶混淆。如果該發現在其他動物中得到證實，“我敢賭上我所有積蓄，人類身上肯定也有這種隔離。”紐約大學系統神經科學家György Buzsáki說。這是因為記憶是一種演化上很古老的系統，Buzsáki說。他沒有參與這項研究，但曾指導過該團隊成員的一些工作。
該研究於1月發表於《自然》[1]。
大腦的視窗
科學家很早就知道，在睡覺期間，大腦會“重放”最近的經歷：參與某個經歷的相同神經元會以相同順序放電。這種機制有助於將經歷鞏固成記憶，並準備好將其長期儲存。
為了研究睡眠期間的腦功能，研究團隊利用了小鼠的一個特點：小鼠的眼睛會在有些睡眠階段部分睜開。團隊在每隻小鼠睡覺時監測它的一隻眼睛。在深睡眠期間，團隊觀察到小鼠的瞳孔會縮小，隨後又擴大到原來大小，這種迴圈往復的每個週期為1分鐘左右。神經元記錄顯示，大腦重放經歷的絕大部分發生在小鼠瞳孔縮小時。
這使得科學家不由地思考，瞳孔大小和記憶處理是否相關。為此，他們使用了一種名為光遺傳學的技術，該技術能用光誘導或抑制大腦中經過遺傳改造的神經元的電活動。首先，他們訓練改造後的小鼠尋找藏在平臺的一個甜食獎勵。訓練後，作者立即在小鼠睡覺期間藉助光遺傳學減少與重放相關的神經元放電次數。他們在小瞳孔和大瞳孔階段都進行了上述操作。
小鼠清醒後完全忘記了獎勵的位置，但前提是在小瞳孔階段減少了放電。“我們抹去了它們的記憶。”這篇論文的共同作者、紐約康奈爾大學系統神經科學家Wenbo Tang說。
相比之下，當該團隊在訓練後立即減少大瞳孔階段的神經元放電時，這些小鼠會直接奔向獎勵，說明它們的新記憶完好無損。
過去的記憶
該團隊的其他實驗顯示，睡眠的大瞳孔階段有其功能：它能幫助處理已建立的記憶，這對小鼠來說意味著在睡覺前的幾天裡形成的記憶，而不是當天形成的記憶。
“在大瞳孔亞狀態下，大腦在儲存更早的記憶，而在小瞳孔亞狀態下，大腦在整合新的記憶。”康奈爾大學物理學家Azahara Oliva說。這個兩階段系統或許能回答大腦如何在不損壞舊知識的同時整合新知識的問題。
未參與該研究的加州大學聖迭戈分校的系統神經科學家Maksim Bazhenov說：“這篇論文邁出了很重要的一步。”研究表明，大腦對已有記憶和新記憶能很好地分時間處理，而不是混在一起——這種混淆可能會造成干擾。
災難性遺忘還會影響人工神經網路，即模擬大腦的演算法，也是當前許多AI工具的基礎。Tang說，進一步瞭解大腦如何防止這類問題，可以啟發新的演算法，避免AI模型出現類似問題。
原文以Why don’t new memories overwrite old ones? Sleep science holds clues標題發表在2025年1月3日《自然》的新聞版塊上
© nature
Doi：10.1038/d41586-024-04232-1
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