我们总是把不同的事物联系在一起：新出生的婴儿和他们的名字、面孔和声音、鸡蛋和火腿。大脑是如何做到这一点的？当我们知道两件事物有联系时，脑细胞会发生什么变化？在一项实验中，我们要求参与者学习将不同的事物联系在一起。当他们在学习这些联系时，我们发现他们大脑中在一个叫做海马的区域中的神经细胞也会将这些事物联系起来。在这篇文章中，首先我们会解释如何听到人类大脑中神经细胞的“声音”，然后会展示一些神经细胞反应的例子。最后，我们会解释这些细胞是如何将不同的事物联系在一起的。

我们研究目的是了解大脑如何将不同的事物联系在一起。想象如果你的朋友有了一只小狗，你的大脑很快就能记住你的朋友和狗之间的新联系。每次你看到这只狗，你就知道它属于你的朋友。我们想知道大脑中的神经细胞是如何储存这些联系的。当你观察不同的事物时，大脑中的一些神经细胞会被激活。我们的假设是，当学习你的朋友和他的狗之间的联系时，同样的神经细胞会被激活。

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怎样听到神经细胞的“声音”？

神经细胞是我们大脑中一种特殊的细胞。大脑中有数十亿神经细胞，它们负责我们所有的思考和行为。例如，每次你在看某样东西时，大脑中的一群神经细胞就会被激活，并将你所看东西的信息传递给其他神经细胞。所以，如果我们想知道一个神经细胞是否被某样东西(例如，你的朋友或他的小狗)激活，我们需要“听”到这些信息。当神经细胞被激活时，它们以小电流的形式互相传递信息，我们用叫做电极的细导线来测量这些小电流。每个神经细胞的声音都很小(电流很小)，所以我们需要让电极离它们非常近。这意味着电极需要插入大脑，靠近我们想要“听”的神经细胞。

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如何将电极插入人类大脑？

将电极插入人类大脑非同寻常。然而，在某些情况下，医生不得不将电极插入病人的大脑，以监听大脑中的电活动。例如，在癫痫患者中，神经细胞群开始以不正常的方式相互交流，它们相互传递的信息会在几分钟内完全混淆。在很多情况下，病人会失去知觉，跌倒在地。在这种情况下，医生通常需要找出这种不正常的震颤来自哪里。在极端的癫痫病例中，医生将电极插入患者的大脑，以监听这种震颤。大脑中有一个区域几乎总是用电极来研究，那就是海马。海马是大脑深处的一个结构，它在学习和记忆中扮演着重要的角色。

尽管不是为了治疗疾病，大多数病人并不介意科学家们把电极插入他们的大脑，来帮助像我们了解大脑是如何工作的。在一个典型的实验中，病人会坐在病床或者病房的椅子上，他们大脑中的电极会与记录神经细胞电活动的电脑相连。

在我们向你展示神经细胞如何学习把物体联系起来之前，首先你需要了解我们看东西时，神经细胞起到的重要作用。如前所述，在我们看东西时，不同的神经细胞会被激活。那么科学家是如何记录这些神经细胞的反应呢？很简单，我们只需要数一数神经细胞激活的次数。神经细胞的这种反应也被称为发射脉冲，以赫兹为单位进行测量。

在早期的实验中，我们在电脑屏幕上给病人看图片。我们想知道神经细胞是否对其中的一张或多张图片有反应。8位患者参与了我们的第一个实验[2]。我们给病人看了大约张名人(如女演员詹妮弗·安妮斯顿和哈莉·贝瑞)、著名景点(如悉尼歌剧院或比萨斜塔)的不同图片，以及不著名的人和地点、动物、车辆等的图片。

对于每张图片，我们都要计算每次显示图片时神经细胞发射脉冲的次数。对给定图片没有反应的神经细胞会在图片显示之前和显示期间发出相同数量的信号。另一方面，如果一个神经细胞被给定图片激活，它会在病人看到图片时发射很多脉冲(图1)。如图1所示，一个病人在看到女演员詹妮弗·安妮斯顿和一头大象的图片时，大脑中一个特定的神经细胞发射了很多脉冲，但这个神经细胞对篮球运动员的图片没有反应。

图1

(A)海马是一个位于大脑深处的结构。(B)一个神经细胞对三张图片的反应。蓝色虚线表示图片出现的时间。如果一个神经细胞对特定的图片有反应，那么当这幅图片出现时，神经细胞的反应就会比图片出现前有所增加。在前两幅图中，你可以看到神经细胞的反应急剧增加，但对第三幅图却没有反应。

对给定图片有反应的神经细胞是否也会对相关图片有反应？例如，对詹妮弗·安妮斯顿的图片做出反应的神经细胞是否也会对这位女演员的不同图片做出反应？对她的名字呢？

为了回答这个问题，我们又给病人看了很多图片，这次我们放了7张詹妮弗·安妮斯顿的新图片。这些图片之间都有明显的区别，例如，一些图片显示了正面照，一些图片中她是微笑的，在所有图片中周围环境都是不一样的。然而，我们发现同样的神经细胞对这个女演员的所有不同图片都有反应，而对其他图片反应不大。另一个病人的另一个神经细胞对女演员哈莉·贝瑞有反应(图2)。换句话说，这些神经细胞能将不同的图片联系起来，尽管图片之间有差异！图2中的两个神经细胞来自两个不同的病人，我们在其他病人身上也发现了相似的细胞。

图2

对相关图像有反应的不同病人的神经细胞。

第一行显示了海马中的一个神经细胞对女演员詹妮弗·安妮斯顿的七张不同图片的反应。这个神经细胞对著名篮球运动员的图片没有反应，如图1B所示。柱状图的高度表示神经细胞的反应有多强烈——高度越高，反应越强烈。第二行是另一名病人的另一个海马神经细胞的反应，它对女演员哈莉·贝瑞的不同图片有反应。这个神经细胞能对哈莉·贝瑞的照片和线条图、哈莉·贝瑞装扮成猫女的图片以及她的名字做出反应。在这两个例子中，神经细胞似乎把不同的图片联系在了一起。

这些例子表明相关的图片是由这些神经细胞联系在一起的。这一发现使我们产生了这样的假设：当你学习将两件事物联系在一起时(例如，你的朋友和他的狗)，相同的神经细胞会被这两件事物同时激活[3]。为了验证这一假设，我们进行了另一项实验，在这项实验中，一组新的8名病人需要学习联系在一起的两个物体[4]。我们测试了海马中的神经细胞是否也会将这两个物体联系在一起。

在图3的例子中，一个病人学习一辆红色汽车与演员布拉德·皮特的关系。对布拉德·皮特有反应的神经细胞是否也会对红色汽车的图片有反应？神经细胞会把红色汽车和布拉德·皮特联系起来吗？我们计算了在病人学会联系之前和之后，神经细胞对红色汽车的反应次数，并进行了比较。如果神经细胞学习了两者之间的联系，那么在病人开始将两者联系起来之后，它对红色汽车的反应会增强。

图3

(A)要求病人在不同图片之间建立联系，例如，红色汽车和演员布拉德·皮特的图片。(B)海马中一个神经细胞的反应。在左图中，病人知道这两张图片之间的联系之前，神经细胞只对布拉德·皮特的照片作出反应。在右图中，病人知道红色汽车与布拉德·皮特之间的联系之后，神经细胞对红色汽车与布拉德·皮特的图片都作出了反应。换句话说，神经细胞对联系在一起的两个物体都有反应。

学习前后神经细胞的反应如图3所示。正如你所看到的，在病人知道联系之前，神经细胞对红色汽车没有反应。然而，在病人学会将红色汽车与布拉德·皮特的图片联系起来之后，起初只对布拉德·皮特有反应的神经细胞也开始对红色汽车的图片有反应。当病人把这两张图片联系在一起时，神经细胞也把它们联系在了一起。同样，我们在这8名病人的其他36个神经细胞中也发现了类似的结果。

结　论

我们发现海马中的神经细胞会将同时发生的事物联系在一起。换句话说，当我们在日常生活中不断地将各种新事物联系在一起时(比如你的朋友和和他的名字)，海马中的神经细胞正忙于在我们的大脑中建立新的联系。

海马神经细胞能储存这些联系多长时间？假设你换了学校，不再把那些熟悉的面孔和名字联系起来，这些联系会长期存在吗？现在许多研究表明，一段时间后，海马会将旧信息运送到大脑的其他区域进行长期存储，但目前尚不清楚这一过程需要多长时间。关于记忆是如何产生的，在哪里、如何储存，以及哪些因素决定了记忆是否被保存，这些关键问题还尚未解决。进一步的研究将继续揭示我们的大脑是如何形成记忆的。

术语表

电极(Electrode)：插入大脑的一根小导线，它使我们能够“听”到大脑活动。

癫痫(Epilepsy)：癫痫是一种会导致癫痫发作的脑部疾病。想要了解更多，这里有一篇很棒的文章：什么是癫痫？如何帮助癫痫患者？[1]。

海马(Hippocampus)：大脑深处的一种结构，在学习和记忆中起着重要作用。

发射脉冲(FiringaSpike)：当大脑中的神经细胞向其他神经细胞发送信息时就是“发射脉冲”，“脉冲”是微小的电流。

赫兹(Hertz)：事件频率的度量单位。赫兹表示事件在1秒内发生的频率。在这篇文章中，我们测量了一个神经细胞在1秒内触发了多少个脉冲，并以赫兹为单位来表示触发反应。

参考文献

[1]Rogers,S.andBuzsáki,G..WhatIsEpilepsyandHowCanYouHelpSomeoneWithIt?Front.YoungMinds.7:52.

[2]Quiroga,R.Q.,Reddy,L.,Kreiman,G.,Koch,C.,andFried,I..Invariantvisualrepresentationbysingleneuronsinthehumanbrain.Nature:–7.

[3]Reddy,L.,andThorpe,S.J..Conceptcellsthroughassociativelearningofhigh-levelrepresentations.Neuron84:–51.

[4]Reddy,L.,Poncet,M.,Self,M.W.,Peters,J.C.,Douw,L.,vanDellen,E.,etal..Learningofanticipatoryresponsesinsingleneuronsofthehumanmedialtemporallobe.Nat.Commun.6:.

原文

ReddyL,SelfMandRoelfsemaP()HowDoestheBrainLearntoLinkThingsTogether?.Front.YoungMinds.8:.

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