Cell | 记忆存储的未来：人类CA3研究如何推动人工智能与认知增强技术

生物探索

2024-12-30 16:35发布于江苏科学领域创作者

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划重点

01Cell研究报道揭示了人类海马体CA3区域的微观结构和功能特性，为理解记忆形成和存储的神经机制提供了新的视角。

02与啮齿类动物相比，人类CA3区域的突触连接更为稀疏，但其突触传递具有更高的可靠性和精确性。

03人类CA3区域的神经元数量在进化过程中显著增加，但突触密度却未同比扩展，而是通过减少局部连接，平衡了能量消耗与信息处理的需求。

04由于这种稀疏连接的策略，人类CA3神经元能够处理来自更大范围的信息输入，有助于在不完整输入的情况下实现模式补全。

05该研究不仅帮助我们理解人类记忆网络的独特性，也为未来开发基于神经网络优化的人工智能算法提供了灵感启发。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

大脑是一台复杂的“超级计算机”，它不仅能完成精密的行为操控，还能在一生中存储海量记忆，同时支持高阶认知功能如想象力和意识。然而，尽管神经科学领域已有许多突破，我们对大脑自身，特别是人类大脑的研究仍然知之甚少。一个重要的问题是：人类大脑究竟是比其他哺乳动物大脑更复杂，还是只是“放大版”的啮齿类动物大脑？解决这一谜题的关键在于对人类大脑中细胞及其神经回路的深入研究。
在这些研究中，海马体（hippocampus）是一个备受关注的区域，它在记忆形成、存储和回忆中扮演了至关重要的角色。而CA3区域作为海马体的核心部分，被认为是最大的自动联想网络（autoassociative network），能够通过独特的神经连接和突触功能实现高效的信息存储和模式识别。然而，迄今为止，几乎所有关于CA3区域的研究都基于啮齿类动物模型，而对人类CA3的微观结构和功能了解甚少。这种局限性使得我们无法全面理解人类大脑如何执行复杂的认知任务。
为了解决这一科学空白，12月11日Cell的研究报道“Human hippocampal CA3 uses specific functional connectivity rules for efficient associative memory”，研究人员通过结合多细胞膜片钳记录（multicellular patch-clamp recording）、超分辨率显微镜和全尺度建模等先进技术，对来自癫痫手术患者的健康人类海马体CA3区域进行了深入的功能和结构分析。研究发现，与啮齿类动物相比，人类CA3的突触连接更为稀疏，但其突触传递具有更高的可靠性和精确性。这种“稀疏但可靠”的神经连接方式不仅优化了CA3的记忆存储能力，还体现出人类大脑在功能结构上的独特性。
该研究不仅揭示了人类CA3区域的微观回路特性，也为我们理解记忆形成和存储的神经机制提供了新的视角。

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人类大脑的谜题：独特性还是放大版？
在人类大脑的演化旅程中，体积的膨胀和复杂度的提升无疑是令人瞩目的成就。这一器官的非凡能力体现在它能够生成高度复杂的行为序列、终身存储记忆以及支持想象力与意识等高阶认知功能。然而，科学界长期以来对一个核心问题争论不休：人类大脑的卓越性，究竟源于其独特性，还是只是啮齿类动物大脑的“放大版”？为解答这一谜题，研究人员需要跨越物种，从细胞层面和神经回路架构上揭示大脑的奥秘。
从解剖学层面来看，人类大脑的总神经元数约为860亿个，比小鼠或大鼠的大脑多出数十倍。然而，简单的规模扩展并不足以解释其在认知能力上的飞跃。例如，与小鼠相比，人类海马体CA3区域的神经元数量扩展至170万，但突触连接的稀疏性却显著增加，局部突触连接概率仅为1.27%，远低于小鼠的3.93%。这意味着，人类大脑并非简单地增加神经元数量和突触密度，而是在进化过程中通过优化网络结构来平衡信息处理的复杂性与能量消耗。
更重要的是，人类大脑展现出前所未见的突触可靠性和精准性。CA3区域的突触传递成功率高达90%，显著优于啮齿类动物的62%。这种高可靠性与其稀疏的连接网络共同作用，提供了更大的记忆存储容量和模式识别能力，同时减少了神经回路中不必要的冗余信息。
这些数据表明，人类大脑的独特性不仅体现在规模上，更体现在其高效的架构设计和复杂的信息处理能力。正是这种“稀疏而高效”的设计，使得人类在认知能力上远远超越其他物种，从而开创了语言、艺术和科技的辉煌篇章。

记忆的关键枢纽：海马体和CA3区域
在人类大脑的众多区域中，海马体（hippocampus）是记忆存储的核心枢纽。它以独特的结构和功能闻名，被形象地比喻为记忆的“存档室”。无论是将短期记忆转化为长期记忆，还是通过记忆的调用支持认知和决策，海马体都扮演着不可或缺的角色。而在海马体内部，CA3区域因其复杂的神经网络和强大的联想能力，成为记忆处理的关键“站点”。
CA3区域的神经元密集分布，并通过广泛的突触网络相互连接，形成了大脑中最大的自动联想网络（autoassociative network）。这种网络的独特之处在于其能够进行模式补全（pattern completion）——即在输入信息不完整的情况下，仍然可以通过联想机制恢复原始记忆。这一功能对日常生活至关重要，例如在模糊的视觉条件下辨认熟悉的面孔，或者根据残缺的回忆重现过去的场景。
研究显示，CA3区域的突触连接密度随着物种的进化而发生显著变化。在人类海马体中，CA3的局部连接概率仅为1.27%，比小鼠和大鼠的同一区域更为稀疏。这种稀疏的连接方式不仅减少了神经回路中的冗余信息，还通过优化网络架构显著提升了记忆存储的容量和效率。同时，人类CA3的突触传递表现出极高的可靠性和精确性，每一次神经元放电几乎都能引发稳定的突触反应，为复杂记忆的存储和提取提供了保障。
此外，CA3区域的神经元数量在人类大脑中显著扩展，其复杂的回路布局和精确的突触连接，使其能够同时处理来自多个信息源的输入。这种架构的设计不仅支持记忆的存储，还增强了不同记忆之间的联想能力，成为我们构建情节记忆和复杂认知的基础。

来自癫痫手术的珍贵样本：解码人类CA3的窗口
在人类大脑研究中，直接获取健康的脑组织进行分析一直是一项巨大的挑战。与动物模型不同，研究人员无法通过侵入性手段获取正常的人类脑组织。然而，癫痫手术意外地为这一难题提供了解决方案。患有顽固性颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy，TLE）的患者在手术中会被切除部分海马体组织，其中许多样本在术前影像学和术后组织学分析中显示健康结构，无明显硬化迹象，为研究人类CA3区域提供了独一无二的窗口。
研究团队从17名接受单侧颞叶切除术的患者中提取了海马体组织，其中9例显示硬化，但另8例保存完好的“非硬化”样本（non-sclerotic samples）被证明与健康人群的海马体密度和结构一致。通过结合术前磁共振成像（MRI）、术中活体成像以及术后组织染色技术，研究人员确认这些非硬化样本的CA3神经元密度稳定，与非癫痫人群的尸检样本相当。
为了充分解析这些珍贵样本，研究团队运用了多细胞膜片钳技术（multicellular patch-clamp）和超分辨率显微镜等尖端工具，对CA3区域的细胞和突触功能进行详尽分析。他们发现，在这些非硬化样本中，CA3区域的神经网络保持完好，其突触连接与啮齿类动物相比呈现出独特的稀疏性，但功能表现却极为稳定可靠。这些技术突破使得研究能够首次揭示人类海马体CA3区域在自然生理状态下的微观结构和功能特性。
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从颞叶切除手术中提取人类海马体组织并分析其微观结构和功能的实验流程及主要发现（Credit: Cell）

实验流程（A）
展示了从患者手术中提取海马体组织到实验室分析的完整流程，包括组织切片的获取、多细胞膜片钳记录的配置和后续的免疫组织化学染色。这一流程为研究人类CA3区域提供了高质量的样本和数据支持。
术前MRI成像（B）
通过术前MRI成像，明确标记了即将被切除的组织区域，包括海马体（HPC）和旁海马回（PHG）。这确保了手术中提取的组织准确无误。
急性切片制备（C）
展示了海马体组织块被切片用于急性实验的过程。这些切片随后用于电生理记录和显微镜分析。
多细胞膜片钳记录（D）
说明了在切片中如何对多个细胞同时进行膜片钳记录，用于分析CA3区域神经元的突触功能和连接特性。
免疫组织化学染色（E）
使用Anti-NeuN染色标记神经元细胞核，结果显示，在硬化组织中，神经元出现显著丢失，空箭头表示退化的神经元，实心箭头标记了可能健康的神经元。
神经元密度变化（F）
研究发现，在硬化组织（橙色）中，CA3神经元密度显著减少，且差异较大；而非硬化组织（深蓝色）显示出稳定的神经元密度，与健康非癫痫人群的尸检样本（浅蓝色）相当。
非硬化样本的记录图像（G）
展示了一片非硬化样本的代表性记录切片，其中使用抗NeuN染色（蓝绿色LUT）和AF647结合的链霉亲和素（红色）可视化记录的神经元。
自发性突触后电流（sPSCs）频率（H）
发现硬化组织中的CA3锥体神经元（PNs）sPSCs频率显著降低，仅为2.2 ± 0.4 Hz，而非硬化组织为8.0 ± 0.6 Hz，小鼠为5.4 ± 0.5 Hz（p < 0.0001）。这表明硬化组织中突触功能的显著损害。

稀疏连接的奇迹：为何人类CA3神经网络如此特别？
在海马体CA3区域，神经网络的连接方式决定了它如何实现高效的记忆存储和信息处理。在这项研究中，研究人员揭示了一个令人惊讶的发现：相比于啮齿类动物，人类CA3神经网络的突触连接更为稀疏，但这种稀疏性却蕴含着独特的功能意义。
通过多细胞膜片钳技术，研究团队发现，人类CA3区域的局部突触连接概率仅为1.27%，显著低于小鼠的3.93%。这一差异并非由实验技术或组织质量引起，而是反映了人类CA3区域的特有网络架构。进一步分析表明，人类CA3神经元之间的稀疏连接不仅降低了网络中冗余信息的传递，还通过广泛而分散的连接模式增强了联想记忆的能力。这种“稀疏而广泛”的连接特性使得单个CA3神经元能够处理来自更大范围的信息输入，有助于在不完整输入的情况下实现模式补全。
稀疏连接背后，网络的优化设计尤为关键。人类CA3区域的神经元数量在进化过程中显著增加，但突触密度却未同比扩展，而是通过减少局部连接，平衡了能量消耗与信息处理的需求。这种架构不仅在宏观上扩展了记忆存储容量，还在微观上减少了突触失败和误触发的概率，使网络更加可靠和高效。
这一稀疏连接的策略在理论建模中也得到了验证。通过模拟不同网络规模和连接密度的CA3模型，研究人员发现，稀疏连接的网络在存储容量和模式提取效率上表现出显著优势。由此可见，人类CA3的稀疏连接并非简单的随机结果，而是进化选择的杰作，体现了大脑在资源受限条件下对效率和功能的极致追求。
这一发现不仅帮助我们理解人类记忆网络的独特性，也为未来开发基于神经网络优化的人工智能算法提供了灵感启发。

可靠与精准：人类CA3突触传递的非凡表现
在复杂的记忆网络中，突触传递的可靠性和精准性决定了信息能否高效存储和准确回忆。研究发现，与啮齿类动物相比，人类海马体CA3区域的突触传递展现出非凡的可靠性与精准性，这是其优化记忆存储能力的关键所在。
实验数据显示，人类CA3区域的突触传递成功率高达90%，远超小鼠的62%。这种高可靠性意味着，每一次神经元放电几乎都能稳定地产生突触后反应，从而确保了信息传递的连贯性。这种优势尤其重要，因为突触传递失败可能导致记忆片段丢失或信息混乱，而在高可靠性的网络中，这类风险被显著降低。
此外，人类CA3的突触传递不仅可靠，还极为精准。研究发现，人类CA3突触间的电流变化系数（coefficient of variation, CV）显著低于小鼠，表明突触传递的波动性更小。这种精准性确保了每次传递的信号幅度一致，从而避免了信息解码中的误差。这一特性在高负载的记忆网络中尤为重要，因为它能够减少网络噪声，提高模式识别的精确度。
突触的高可靠性与精准性与CA3区域的独特架构密切相关。稀疏连接的网络降低了突触间的竞争，神经元拥有更多资源维持传递的稳定性。此外，研究还发现人类CA3神经元的动作电位更宽，这可能增加了突触前神经元释放神经递质的概率，从而进一步提高了传递成功率。
这种“可靠而精准”的设计赋予了CA3更强的记忆存储和模式补全能力。通过减少信息丢失和突触失败，这一系统能够高效整合和存储复杂的记忆，成为人类认知能力的坚实基础。

从小鼠到人类：大脑进化的独特路径
在人类和啮齿类动物之间，海马体CA3区域的神经回路展现出显著的进化差异。随着大脑体积和神经元数量的扩展，CA3区域的网络架构从高度紧密转变为稀疏连接，但这种变化却蕴含了更强的功能效率与适应性。
首先，神经元数量的扩展是人类CA3区域的重要特征。小鼠CA3约包含11万神经元，而人类这一数字膨胀至170万，是前者的15倍。然而，这种数量上的增长并未伴随突触连接密度的同比扩展。研究表明，小鼠CA3的局部连接概率为3.93%，而人类仅为1.27%。这一“连接稀疏化”的趋势表明，人类CA3的突触网络更加优化，既能覆盖更大的信息处理范围，又避免了资源浪费和噪声累积。
其次，人类CA3区域的突触连接表现出广泛而分散的特性。与小鼠相比，人类CA3神经元的树突长度增加了2.5倍，但树突上每毫米的脊密度却减少了50%。这一结构上的平衡优化了神经元的输入范围，使单个神经元能够从更广阔的网络中获取信息，从而提升了联想能力。
这种稀疏连接的演化方向与大脑规模的扩大密切相关。在小型大脑中，高密度的连接可以支持局部快速计算，而在人类这样的超大脑中，稀疏而广泛的连接不仅节省了能量，还增强了全脑范围内的信息整合和模式识别能力。这种网络架构的变化使人类能够更高效地处理复杂信息，例如记忆存储和情节构建。
人类CA3的进化路径展现了大脑对高效资源利用和复杂认知需求的精准适应。这种从紧密到稀疏的变化，不仅是大脑规模扩展的产物，也是大脑功能优化的结果，为我们理解人类认知的独特性提供了深刻的启示。

前瞻性的应用：从基础研究到临床突破
这项关于人类海马体CA3区域的研究，不仅为理解大脑的基本机制提供了深刻见解，也为神经系统疾病的治疗和认知增强技术的开发开辟了新的方向。通过揭示稀疏连接与高可靠性突触传递的特性，这一研究为认知障碍相关疾病的诊断和干预提供了重要依据，尤其是在阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease）等记忆功能受损的病理研究中具有重要意义。
阿尔茨海默病的早期阶段常表现为短期记忆丧失和模式识别能力下降，正是海马体CA3区域功能受损的典型特征。这项研究表明，CA3区域的稀疏连接和高可靠性传递在维持记忆存储与提取中的核心作用。通过分析健康CA3神经网络的结构与功能，研究人员能够更精准地识别阿尔茨海默病患者脑组织中的连接模式异常，为疾病的早期诊断提供全新标志物。
此外，这一研究成果还为认知增强技术的发展奠定了科学基础。例如，通过模拟人类CA3区域的稀疏连接与可靠传递特性，可以设计更高效的人工神经网络，用于改进记忆相关算法或开发仿生记忆设备。与此同时，基于CA3功能特点的神经调控技术，例如深部脑刺激（DBS）或靶向药物递送，有望帮助恢复或强化记忆功能。
这项研究还提出了一种对神经退行性疾病的新干预思路：通过重建或增强CA3区域的突触连接特性，改善神经网络的整体功能。例如，通过基因疗法或蛋白修复技术恢复突触传递的可靠性，有可能逆转阿尔茨海默病或其他记忆障碍疾病的早期症状。

从基础研究到临床应用，这项研究展现了人类对记忆奥秘探索的巨大潜力。通过连接科学与技术的桥梁，未来的治疗与认知增强工具有望改变数百万患者的生活，开启大脑健康的新纪元。



参考文献


Watson JF, Vargas-Barroso V, Morse-Mora RJ, Navas-Olive A, Tavakoli MR, Danzl JG, Tomschik M, Rössler K, Jonas P. Human hippocampal CA3 uses specific functional connectivity rules for efficient associative memory. Cell. 2024 Dec 6:S0092-8674(24)01338-2. doi: 10.1016/j.cell.2024.11.022. Epub ahead of print. PMID: 39667938.



责编|探索君
排版|探索君
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