人是如何记住事儿的？MIT科学家揭开了秘密

大约 50 年前，神经科学家在大脑海马体中发现了一种与存储特定位置记忆相关的细胞。这些细胞不仅对空间记忆至关重要，在存储情节记忆方面同样发挥着重要作用。尽管科学界已经深入了解这些位置细胞编码空间记忆的机制，但它们如何参与情节记忆的编码仍然是一个未解之谜。

近期，MIT 研究人员开发的一种新模型为这一问题提供了新的见解。该模型表明，位置细胞可以在没有空间信息的情况下与内嗅皮层的网格细胞协作，充当一种支架，将记忆组织成一个相互关联的序列。

“这个模型初步揭示了内嗅皮层与海马体在情节记忆回路中的作用，为理解情节记忆的本质提供了基础。” MIT 大脑与认知科学系教授、麦戈文脑研究所成员、这项新研究的资深作者 Ila Fiete 表示。

这个模型成功再现了生物记忆系统的多个关键特征，包括巨大的存储容量、旧记忆的逐步衰退，以及人们通过“记忆宫殿”技术存储大量信息的能力。

这项研究由 MIT 研究科学家 Sarthak Chandra 和 Sugandha Sharma 共同主导完成，研究成果已于近期发表在 Nature 上。加州大学戴维斯分校助理教授 Rishidev Chaudhuri 也参与了这项研究。

记忆的索引

为了编码空间记忆，海马体中的位置细胞与网格细胞密切合作。网格细胞是一类特殊的神经元，它们会在多个不同的位置被激活，并按照重复的三角形几何图案规律地排列在一起。网格细胞群体共同形成了一个三角形网络，用于表示物理空间。

这些海马-内嗅回路不仅帮助我们回忆曾经去过的地点，还支持我们导航未知的地方。此外，研究表明，这些回路在形成情节记忆时同样至关重要。情节记忆可能包括空间成分，但更多的是关于事件的记忆，例如你如何庆祝上一次生日，或是昨天午餐吃了什么。

“同样的海马体和内嗅回路既用于空间记忆，也用于一般的情节记忆。” Fiete 解释道，“因此我们可以进一步探讨的问题是，空间记忆和情节记忆之间存在什么样的联系，使它们能够共享同一个回路？”

针对这一功能重叠，科学界提出了两种主要假设。第一种假设认为，这一回路的主要功能是存储空间记忆（例如记住食物在哪里或捕食者出现的地方，因为这类记忆对于生存至关重要）。在这种观点下，情节记忆的编码被认为是空间记忆的一种副产品。

第二种假设则相反，认为这一回路主要用于存储情节记忆，同时也能编码空间记忆，因为地点通常是情节记忆中的一个重要组成部分。

在这项研究中，Fiete 和她的团队提出了第三种可能性：网格细胞的独特平铺结构及其与海马体的相互作用，对情节记忆和空间记忆这两种记忆类型同样重要。为了开发这一新模型，他们借鉴了 Fiete 实验室过去十年中开发的计算模型，这些模型模拟了网格细胞如何高效编码空间信息。

“我们已经到了这样一个阶段，我认为我们对网格细胞回路的机制有了一定程度的理解，因此现在是时候探索网格细胞与包括海马体在内的更大回路之间的相互作用了。” Fiete 说道。

在这个新模型中，网格细胞与海马细胞的相互作用可以作为存储空间记忆或情节记忆的支架。网格中的每种激活模式定义了一个“井”，这些井按照规则的间隔排列。需要注意的是，这些井并不直接存储特定记忆的内容，而是充当指向特定记忆的“指针”。具体的记忆内容则被存储在海马体与感觉皮层之间的突触中。

当记忆稍后被零散的片段触发时，网格细胞和海马细胞之间的相互作用会将回路状态引导至最近的“井”。这些井的底部状态与感觉皮层的相应部分相连，补充了记忆的细节。由于感觉皮层的规模远大于海马体，它能够存储大量的记忆信息，从而弥补海马体容量的限制。

“从概念上看，我们可以将海马体视为一个指针网络。” Fiete 解释道，“它的作用类似于一个索引，通过接收部分输入完成模式补全，然后将这些输入指向感觉皮层（即这些记忆最初被体验和编码的地方），这种支架并不包含记忆的具体内容，它只包含指向抽象支架状态的索引。”

这样的结构使按顺序发生的事件能够被链接在一起：网格细胞-海马网络中的每个“井”有效地存储了激活下一个“井”所需的信息，从而使得记忆能够以正确的顺序被回忆。

建模记忆断崖与记忆宫殿

研究人员的新模型在再现多个与记忆相关的现象方面比基于 Hopfield 网络的现有模型更为准确。Hopfield 网络是一种能够存储和回忆模式的神经网络，为记忆的形成提供了早期的重要见解，尤其是关于如何通过增强神经元之间的连接来存储信息。

然而，Hopfield 网络并不能完美模拟生物记忆的实际工作方式。在这种模型中，每个记忆都可以被细致入微地回忆，直到达到存储容量的极限。一旦达到这个极限，模型不仅无法形成新的记忆，甚至试图添加新记忆会导致所有先前记忆的完全丢失。

这种“记忆断崖”的现象与生物大脑的真实机制并不相符。与之相比，生物大脑的记忆系统更加灵活：旧记忆的细节会随着时间逐渐模糊，但不会完全消失，同时可以不断存储新记忆。

MIT 的新模型成功捕捉了数十年来通过研究网格细胞和海马细胞记录所积累的关键发现。这些记录主要来自啮齿动物在各种环境中探索和觅食行为的研究。更重要的是，该模型还帮助揭示了一种广为人知的记忆策略（即“记忆宫殿”）背后的机制。

在记忆力比赛中，参赛者的一项任务是记住一副或多副打乱顺序的扑克牌。他们通常通过将每张牌分配到“记忆宫殿”的特定位置来完成这一任务。记忆宫殿通常是对童年家园或其他熟悉场所的脑海再现，当需要回忆这些牌时，他们会在脑海中漫步在这个宫殿中，沿途在每个位置依次看到这些牌。乍一看，将牌与位置相关联似乎增加了额外的记忆负担，但实际上，这种方法让记忆变得更加牢固和可靠。

MIT 团队的计算模型能够出色地完成类似“记忆宫殿”的任务，这表明这种记忆策略实际上是利用了记忆回路的自然机制。通过将输入与海马体中的支架关联起来，并结合长期存储在感觉皮层中的记忆作为新的支架，这种方法显著扩展了记忆系统的容量，使得人类能够存储和回忆比平时更多的序列信息。

接下来，研究人员计划基于这一模型进一步探索几个重要问题，比如情节记忆如何转化为皮层中的语义记忆，即与获取时的具体情境无关的事实性记忆，例如“巴黎是法国的首都”；事件如何被定义和组织；以及如何将类脑记忆模型整合到现代机器学习系统中，从而提升人工智能的记忆和学习能力。

这项研究得到了美国海军研究办公室、国家科学基金会 Robust Intelligence 项目、ARO-MURI 奖项、Simons 基金会以及 K. Lisa Yang ICoN 中心的资助支持。

https://news.mit.edu/2025/how-one-brain-circuit-encodes-memories-places-and-events-0115