早在九十年代，研究人員已在囓齒動物的神經元活動中觀察到一種特殊的模式，即成千上萬的神經元會在腦中的海馬迴一齊放電。但由於無法了解囓齒動物的語言或思維，當這些神經元同步放電時所代表的意義始終是一團謎。近日，以色列魏茲曼科學研究院的科學家成功地在人腦內記錄了這些所謂海馬迴尖波-漣漪(Sharp-wave ripples, SWRs，文後簡稱海馬迴波)的神經活動，並且能證明這些迴波是與新記憶形成和之後自由回憶高度相關的神經機制。這些發現已於8月15日發表在《科學》期刊。
參與此研究的魏茲曼科學研究院神經生物學教授Rafael (Rafi) Malach表示，海馬迴波是個在強度和時機都令人驚奇的活動，約15％的海馬迴神經元齊步活化放電，而且全部僅在十分之一秒內發生，就好比是神經細胞的煙火，海馬迴波最初被發現在人類睡眠或休息時出現，也在囓齒動物的空間導航記憶中扮演重要的角色。直到最近，海馬迴中這些神經元大規模同步放電的活動才被發現也出現在靈長類動物清醒的時候，然而科學家尚不清楚這些海馬迴波與人類認知和心理活動的確切關係。
雖然人類可以透過溝通傳達自己的想法，但是大多數的研究方法都無法使科學家詳細地了解腦內在同時所發生的事情。魏茲曼科學院這項最新的研究由Malach教授實驗室下的博士候選人Yitzhak Norman主導，並與美國范斯坦醫學研究所(Feinstein Institute for Medical Research) Ashesh Mehta教授指導的研究團隊共同合作。研究人員招募了在醫療診斷過程中須接受侵入性腦內活動記錄的頑固性癲癇病患，醫生在這些病患腦內的多個區域植入電極，好以定位誘發癲癇需被手術切除的部分，而這些患者在等待癲癇發作的空白時間自願成為受試者參與這項海馬迴波記憶研究。
在實驗過程中，研究人員給受試者看視覺細節豐富的名人(如歐巴馬、鄔瑪舒曼)或著名景點(如自由女神像、比薩斜塔)的彩色圖片，並要求受試者盡量記住這些圖片的細節。在詳細觀看這些圖片的階段結束後接著是短暫的分心活動，之後受試者會在眼睛被遮住的情況下被要求自由回憶剛剛看到的這些圖片並對其進行詳細描述。研究人員記錄受試者的描述，並同時從受測者腦內海馬迴及腦皮質其他區域中的電極收集腦部活動信號。
研究人員在受試者的大腦活動與他們口頭描述的對照中找到驚人的發現。首先，研究人員發現這些海馬迴波的爆發在人類自由回憶過程中起著關鍵性的作用。在受試者開始回想並描述圖片之前約一到兩秒鐘，研究人員已能觀察到可預知受試者開始回想的海馬迴波頻率的激升。更重要的是，這些海馬迴波重新表現了圖片中的內容，在觀看階段引發更多迴波的圖片在隨後的回憶階段中也同樣引發了更多的迴波。
由於海馬迴和大腦皮質的活動在這項研究中是同步被記錄的，研究人員便能證明海馬迴波和皮質活化是同時發生的，尤其是儲存詳細視覺訊息的視覺皮質的活化。有鑒於人們已知高階的視覺皮質與特定的視覺表徵相關，皮質的某一個區域是用來表示臉部的，而另一個區域則是用來表示景點；當受試者在回憶歐巴馬的時候，與他在回憶艾菲爾鐵塔的時候，被活化的視覺皮質部分並不相同。換言之，視覺皮質活化的位置與回憶內容是相應的，而指揮這些不同位置活化的正是海馬迴。
這項研究大大地開拓了人類對海馬迴功能的理解。研究結果強調了不同神經活動同步發生之關聯的重要性。海馬迴內的大幅放電同步影響了其他不計可數的神經細胞的活化。這讓我們對於人類記憶背後的神經機制有了更深一層的認識。記憶的形成、儲存和自由回憶取決於一連串複雜的過程；然而海馬迴波同步的大規模活動明確地指出這些迴波在記憶形成和回憶過程扮演了關鍵的角色。
資料來源：https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/firework-memories
