前两天看到了记忆，虚假记忆和抑郁症 - Sparks and Spikes - 知乎专栏 这篇文章，对于 Tonegawa 一系列对于寻找记忆痕迹的文章做出了一些介绍。Tonegawa 在实验设计和文章写法上为了吸引读者的目的，使用了“虚假记忆”等一些说法，但是最重要的，这一系列实验的目的从科学本质上来说是为了寻找“记忆痕迹”（Engram），而领域里对于这个 Engram 到底在哪里是有争议的。所以我想更加全面地介绍一下别的理论，来弥补@Han Lu没有提到的一些方面。

本文前半部分科普，后半部分针对具有一定生物学背景的读者。大家自行按需求选择阅读。

什么是“记忆痕迹”（Engram）？

现在我们对于“记忆”在生物学上的理论是“突触生物物理和生物化学的改变”，那么所谓的“记忆痕迹”（Engram）就是“对于外界刺激，大脑里相应的生物物理和生物化学变化留下的痕迹”。这个理论背后的想法是，对于一个特定的外界刺激，我们是可以根据大脑组织内部化学和物理性质的改变来定位这个特定事件的记忆储存在哪些细胞里。

说到底，就是找到记忆到底存在哪儿？

为什么要找到“记忆痕迹”（Engram）？

一方面是对现有记忆是物理和化学变化这样一个理论的支持。另外一方面，科学家们的确想着找到了记忆痕迹，就可以开始改变它们，比如抹去 PTSD 病人那些不好的记忆， 或者植入一些记忆（再也不用花时间背信号通路了！）等这些科幻小说中的常见情节，当然以现在的科学认识和技术手段，这样的目标还很远，大家不用激动 / 恐慌。

怎么知道我们找到了“记忆痕迹”（Engram）？

先来一个非常有趣的实验（Quiroga. et al, 2005）

发表在 2005 年 Natrue 上：科学家们发现，一些神经元似乎是记人的，不论你是看这个人的名字，还是这个人的照片，甚至是这个人的素描图，都是同样的神经元在被激活！不同人所在的神经元（们）并不一样，所以是具有选择性的。他们怎么在人体记录到这么高精度的信息呢？是因为被试都是顽固性癫痫患者，只能进行病灶切除术，所以在他们不同脑区埋入了电极，可以记录神经元的电信号（900+ unit，每个 unit 可以记录几个细胞的电活动，分布在四五个不同的脑区里），方便手术切口的定位，所以才有了这样高精度的研究！

不说废话，我们来看图，这是一个病人对于不同图片的反应，这个 unit 电极被植入在右前部海马区 (一个 unit 电极可以记录很少的几个神经元，我查不到到底是多少个神经元，所以希望有知道的朋友能知会一声)：

蓝色框框里是各种“哈里·贝瑞”（美国著名演员，第 74 届奥斯卡最佳女主角奖得主），51-53 是她电影里猫女的剧照，96 是写着她名字的图片。这些图片呈现给被试然后记录他们大脑里的电极信号（第三行中两个虚线中间是给被试呈现照片的时间， 红色的柱状条是记录的 spikes 数量）：

红色的是所有哈里·贝瑞的图片编号，可以看到，当被试看到哈里·贝瑞的图片，这一个电极明显记录到更多的电信号，而且在其他所给的人物里，这个电极所在位置基本上都没有太多电信号（=神经元）的活动。（当然，我们不可能给被试看尽人间所有人，所以很难确定这个神经元除了哈里·贝瑞，到底还存没存第二个人。而这个实验里，他们记录的 900+ 电极里，只有这个是特定相应哈里·贝瑞的。）

我只想说，这个实验实在是太酷了！！！就算换照片，换成素描画像，换成写着名字的图片，不论视觉信号怎么变，我们都能从概念上和一个人连起来！而且她穿着猫女衣服的剧照也能被认出来，而别的演猫女的演员就不能让这几个神经元激活！教大家一个撩妹技能，可以深情看着她说：我的部分神经元只为你一人而发放

那么我们可以说找到了“哈里·贝瑞”的记忆痕迹吗？

还不能。这些神经元可能只是“哈里·贝瑞”记忆痕迹中的一部分。毕竟我们没法同时给大脑每一个神经元插个电极记录它们的电信号。科学家们人为定义了四个标准来判断有没有找到“记忆痕迹”：

1）找到学习能够改变的分子（们），和相应的一部分特定神经元细胞和功能层面上的改变

2）阻止这些分子 / 细胞层面上的改变能够阻止记忆的形成。

3）在一部分神经元里人为诱导这些分子 / 细胞层面的改变能够创造出记忆

4）这些分子 / 细胞层面上的改变要符合神经回路的逻辑，并且能够切实地改变行为上的输出

我们对于这个“分子 / 细胞”层面的改变还一无所知，争论不休，所以还不能说我们找到了 Engram。

那么“记忆痕迹”（Engram）可能在哪？

这就是分歧的来源了。Tonegawa 坚定地认为 Engram 只存在在海马（一个跟空间记忆相关的脑区，下图中蓝色部分）里（Ramirez. et al, 2013）。而其他科学家，比如 Mark Mayford 则认为 Engram 是存在在大脑皮层的（大脑外面这一大圈），可能 + 海马的（Cowansage. et al, 2014）。两个人用了差不多的实验设计，Tonegawa 实验设计和结果可以参看记忆，虚假记忆和抑郁症 - Sparks and Spikes - 知乎专栏，我不重复介绍，Mayford 用的化学而不是光遗传的方法，得到的结果却是 Engram 可能在皮层里。感兴趣的可以看后面干货，想看科普的到这就结束了。

希望大家明白，科学界对于 Engram 的位置并没有一致的看法。难点在于怎样对整个大脑做生物物理或者生物化学的分析，现代技术都有这样那样的缺陷，还不能给出满意的精度去说我们已经找到了 Engram。

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很多词翻译起来实在困难，所以这部分只写给有一定科学背景的读者，可以进行一些实验设计细节的探讨。

Mayford 用了 DREADD 而 Tonegawa 用了 ChR2，两个人用的老鼠都是一样的，这个老鼠是 Mayford 做的，但是实验结果却大相径庭。我会比较一下 DREADD 和 ChR2 两者优劣，行为学实验设计上基本一样，就没啥好多说的。两个人相爱相杀，各执一词，只能看官各自决定了。

先来说下老鼠，Mayford 想要只 mark 那些在被激活的神经元，现在常用的就是 IEG transcription factor，这些 factor 可以快速表达（分钟），可以快速 turnover（小时），常用来 mark 被激活的神经元。比如 cFos, zif268, arc。所以他们用 cFos 做 promoter，induce tTA，这个基因可以结合激活 TetO promotor 从而激活 TetO promotor 后面跟的 gene。而这个 tTA，可以用一个化学药物抑制，叫 Doxycycline（简称 Dox）。这个 Dox 平时可以混在老鼠食物里喂着，这样 Dox 会结合 tTA 让它不能去结合 tetO 也就不能表达跟在后面的基因了。而实验中，老鼠停喂 Dox，这样那些激活的神经元因为表达了 cFos，表达了 tTA，没了 Dox 阻挡，tTA 结合 tet O 就只在这些激活的神经元里表达了下游基因（Mayford 实验里是 hM3Dq，而 Tonegawa 实验里是 ChR2）。两人设计分别如下图所示（Garner. et al, 2012; Ramirez. et al, 2013）。

那么 hM3Dq 和 ChR2 又分别是什么呢？

这些都是可以人为激活神经元的手段。前一种叫 Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drug (DREADD)，后面一种大家叫 Optogenetics。DREADD 需要给老鼠注射一个叫 CNO 的药，通过 Gq coupled receptor 可以使细胞去极化。注射到成功激活神经元大概是分钟 - 小时；Optogenetics 就只需要在老鼠大脑里插入一个 fiber 可以把光照进去，这种手段可以在毫秒级别上激活神经元。自从光遗传发明了以后，越来越多的人用这个手段，看重的就是这个时间上的低延迟，还有就是大家对需要再往老鼠里面注射一种药 CNO 的 DREADD 的作法表示谨慎。当然 DREADD 也有优势，比如 ChR 有的时候不能在你感兴趣的地方表达，担忧光不能 penetrate tissue 等。他们两个人用的 hM3Dq 和 ChR2 都是激活神经元的，两种手段里都有别的受体可以用来抑制神经元。

刚提到了表达的问题，我们来看一下表达 pattern：

所以 cFos-hM3Dq 是 universally 表达的，这样你可以 tag 所有脑区里在行为学中被激活的神经元。而 Tonegawa 实验设计是使用 AAV virus 只在 DG 这个海马下属的区域里表达 ChR2：

问题就来了，AAV virus 最怕就是 leaky，这样你以为自己只在某个地方表达了 ChR2，其实可能到处都是。Mayford 实验室的人说，他们老板自己亲自根据 Tonegawa 实验室 protocol 重做了这个 virus，然后发现非常 leaky，反复试验都没能得到相同的结果。但是生物实验重复性差很常见，你手里不 work 不一定能说别人手里也不 work，所以他们也很无奈。我自己没有亲自做过，所以也不能妄加评断。但是如果这个 virus leaky，那么 Tonegawa 组所说的 Engram 就在海马里的论断就可能没那么强了。

对 Tonegawa 别的我不能评价，但我要说他们那篇轰动一时的 13 年 Nature 里用了人家 Mayford 组做的老鼠，连个致谢都不给，有点儿不够意思。（我不是 Mayford 组里的人，不是偏心眼啊。）毕竟是诺奖，而且他们用这个 virus 一连灌了好几篇 Nature 声称找到了 Engram 而且就在海马里，导致 Mayford 组文章没有受到平等地考量。

Reference 里有 Mayford 组 14 年发在 Neuron 上的文章。这个时期他们也已经从 DREADD 换到 opto 了。文章里为了证明 Cortex 自己就足够唤起记忆，他们在海马注射了 NMDA 受体拮抗剂 + 钠离子通道的拮抗剂 TTX，两者的组合可以很大地影响记忆。他们发现在这些老鼠里还是可以通过激活 Cortex（具体来说是 RSC，一个和海马相连的皮层区）引发老鼠的恐惧记忆。

当然公说公有理，婆说婆有理，两个组实验设计上其实都还是很巧妙的，也都有一定的证据支持自己的论点。Tonegawa 当年那篇 Nature 也是惊艳了我，尤其是行为学上很巧妙的设计，让我激动了好久。期待他们各自组里的进展！

Reference :

1. Quiroga, R.Q., Reddy, L., Kreiman, G., Koch, C., and Fried, I. (2005). Invariant visual representation by single neurons in the human brain. Nature 435, 1102–1107.

2. Drane, L., Ainsley, J.A., Mayford, M.R., and Reijmers, L.G. (2014). A transgenic mouse line for collecting ribosome-bound mRNA using the tetracycline transactivator system. Front Mol Neurosci 7, 82.

3. Garner, A.R., Rowland, D.C., Hwang, S.Y., Baumgaertel, K., Roth, B.L., Kentros, C., and Mayford, M. (2012). Generation of a synthetic memory trace. Science 335, 1513–1516.

4. Ramirez, S., Liu, X., Lin, P.-A.A., Suh, J., Pignatelli, M., Redondo, R.L., Ryan, T.J.J., and Tonegawa, S. (2013). Creating a false memory in the hippocampus. Science 341, 387–391.

5. Cowansage, K.K., Shuman, T., Dillingham, B.C., Chang, A., Golshani, P., and Mayford, M. (2014). Direct reactivation of a coherent neocortical memory of context. Neuron 84, 432–441.