每天，我们的大脑都会将无数短暂的经历——从海滩漫步到工作中的演示——转化为长期记忆。这一过程的具体机制仍然是个谜，但神经科学家认为，它涉及一种名为“神经回放”的现象，其中神经元会快速重现最初经历时相同的激活序列。令人惊讶的是，神经回放在经历之前和之后都可能发生，表明其在记忆存储和未来规划中均发挥作用。
在一项新研究中，加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的神经科学家记录了自由飞行蝙蝠的数百个神经元的同时活动。这是首次在蝙蝠自然飞行和行为过程中对神经元群（而不仅仅是单个神经元）进行的研究。这些数据为神经回放和theta序列（另一种被认为与记忆和规划有关的现象）提供了令人惊讶的新见解。
“过去20年里，我们一直在记录蝙蝠的单个神经元并提出一个问题：‘当动物做有趣的事情时，单个神经元会做什么？’但在大脑中，只有当你观察神经元群时才会出现一些特性。在这项研究中，我们观察了这两种现象——回放和theta序列——它们只有在同时追踪多个神经元时才可见。”该研究的资深作者、加州大学伯克利分校神经科学与生物工程副教授、霍华德·休斯医学研究所研究员迈克尔·亚特瑟夫（Michael Yartsev）表示。
更好地理解回放和theta序列在动物大脑中的作用，可以揭示人类长期记忆是如何形成和存储的，可能会带来针对帕金森病和阿尔茨海默病等神经系统疾病的新治疗方法。
这项研究于2025年7月9日在线发表在《自然》杂志上，得到了空军科学研究办公室、国家神经疾病和中风研究所以及海军研究办公室的资助。
“完全不同的游戏”
研究神经回放和theta序列非常棘手，因为它需要同时监听大脑中数十甚至数百个神经元的活动。在过去十年中，迈克尔·亚特瑟夫的实验室开创了无线神经记录技术，应用于埃及果蝠，使他的团队能够前所未有地观察这些导航专家的大脑活动，因为它们在大型环境中觅食。
以前，无线记录设备只能一次检测少量神经元的信号。在新研究中，共同第一作者安杰洛·福尔利（Angelo Forli）、樊武迪（Wudi Fan）和齐凯文（Kevin Qi）成功使用了高密度硅电极阵列，可以从飞行中的蝙蝠同时记录数百个神经元。这些电极还可以记录局部场电位，这是一种测量大脑某区域整体电活动的方法。
“在飞行的动物身上无线记录如此大规模的神经元群是一项完全不同的挑战，”亚特瑟夫说，“在此之前，这是不可能实现的。”
为了研究神经回放和theta序列，研究人员追踪了“位置细胞”的活动，这种神经元存在于许多物种的海马体中。单个位置细胞会在动物处于特定空间位置时放电，从而创建环境的内部空间地图。
“如果你知道某个位置细胞对应于特定的空间位置，并且该细胞处于活跃状态，那么你可以推断出蝙蝠正位于那个位置，”加州大学伯克利分校的博士后研究员安杰洛·福尔利说，“如果你能追踪多个细胞，你就可以知道蝙蝠所走的路径。”
然而，位置细胞不仅在动物移动时才活跃。啮齿类动物的实验表明，它们在休息期间会表现出海马回放，基本上按照运动期间相同的顺序重新放电，但时间被压缩得更短。
啮齿类动物的位置细胞还表现出称为theta序列的模式，这种模式发生在运动期间，据信代表动物从当前位置“向前看”几步。
“以前，由于技术限制，这些现象仅在啮齿动物中进行了研究。我们想知道它们是否也存在于蝙蝠中，如果存在，它们是否与我们在啮齿动物中看到的不同？”福尔利说，“我们发现了一系列差异，这些差异挑战了既定模型。”
信息处理的基本单位
在实验中，研究人员记录了蝙蝠在大型飞行室中自由飞行时位置细胞的活动，并确定哪些位置细胞序列对应于特定轨迹。然后，他们能够识别回放事件，即这些相同神经序列在蝙蝠休息时发生的时刻。
我们对回放的大部分了解来自对不自然环境（如“睡眠箱”）中啮齿动物的实验，以记录行为运行后的回放事件。这在活动状态和非活动状态之间引入了人为界限。相比之下，蝙蝠在同一实验会话中有许多自然的活动期和休息期，允许在更宽松的条件下捕捉回放。这导致发现回放大多发生在经历后的几分钟内，并且通常发生在远离经历地点的位置。
令人惊讶的是，研究人员还发现，无论飞行距离长短，这些回放事件的长度都是相同的。本质上，如果一个神经序列对应于10米的飞行，另一个神经序列对应于20米的飞行，两者回放的时间都被压缩到相同的长度。
“我们看到短轨迹和长轨迹的回放持续时间相同，”福尔利说，“似乎无论经历的长度如何，信息都被削减到相同的时间块。”
研究人员推测，这种恒定的回放持续时间可能代表了大脑中信息处理的一个基本单位。
“从计算的角度来看，发送固定大小的信息包具有极大的优势，”亚特瑟夫说，“这种方式非常高效，因为无论是什么读取这些信息，都知道它将以这些固定大小到达。”
团队的下一个问题是关于theta序列，这是一种被认为是支持回放并依赖于海马体中theta振荡的群体现象。然而，与啮齿动物不同，蝙蝠和人类都没有连续的theta振荡，这种振荡以大约8赫兹的频率发生，或每秒八次翅膀拍动。有趣的是，研究人员在蝙蝠飞行期间发现了类似于啮齿动物theta序列的顺序网络活动，但有一个主要区别：与啮齿动物不同，蝙蝠中的快速序列与theta振荡无关，而是与蝙蝠的8赫兹翅膀拍动同步。
从小鼠胡须的颤抖到人类言语的节奏，还有无数其他动物行为发生在约8赫兹的频率上。研究人员推测，这些theta序列可能为这些行为在动物大脑中的组织和引导提供了一种普遍的神经机制。
“这个频率在物种间普遍存在，尤其是在哺乳动物物种中，”亚特瑟夫说，“我们的发现可能为这些行为的神经基础提供机械理解的开端，不仅适用于大鼠和蝙蝠，也许还适用于其他物种，比如人类。”
这项研究还得到了纽约干细胞基金会、瓦莱基金会和霍华德·休斯医学研究所的支持。
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