引言

传统上，人们普遍认为记忆是离散的、独立存储的片段。然而，越来越多的研究表明，大脑通过复杂的机制将新经验与既往记忆整合在一起，形成动态的记忆网络。那么，大脑究竟如何实现这种跨时间的记忆整合？11月6日Nature最新研究报道“Offline ensemble co-reactivation links memories across days”的动物实验表明，离线神经元集合的协同再激活（offline ensemble co-reactivation）在记忆整合中发挥了关键作用。

记忆的离线再激活与整合

记忆的形成发生在大脑对环境信息进行编码的过程中，此时神经元集合（neuronal ensembles）在学习期间协同激活，以编码新的经验。这些神经元集合在离线状态（如休息或睡眠期间）再次被激活，这一过程称为“记忆再激活（memory reactivation）”，对记忆巩固（memory consolidation）至关重要。记忆巩固是一个动态的过程，将初始不稳定的短期记忆转化为稳定的长期记忆，通常通过多次再激活过程实现。

然而，记忆再激活不仅仅是为了维持记忆的稳定性。大脑还利用离线时期主动链接不同时间点发生的经验，从而使记忆更加丰富和一致。例如，当动物经历一次强烈的负面刺激时，大脑中的神经元不仅会再激活与负面体验相关的记忆，还会再激活之前形成的中性记忆。这种“协同再激活”使得原本没有直接联系的记忆之间形成关联，使动物在未来类似情境中表现得更为敏感和警觉。这种记忆整合过程在回顾性记忆联结中尤为显著。

协同再激活的过程本质上是一种多记忆模块的同步激活，这种激活在神经活动的不同时间尺度上体现出动态变化。例如，睡眠期间的慢波活动（slow-wave activity）和清醒静息状态下的尖波涟漪（sharp-wave ripples）被认为是离线记忆再激活的重要时机。在这些时间段内，特定神经元集合的同步活动可以促进不同记忆痕迹的联结，使它们相互整合，从而增强记忆的整体性和系统性。

强烈的负面体验能够驱动回顾性地将恐惧联结到几天前形成的中性记忆中，从而使小鼠在类似情境中表现出更高的防御反应（Credit: Nature）

实验设计： a. 采用前瞻性和回顾性记忆联结的行为实验。前瞻性组中，小鼠先经历负面体验（电击），然后暴露于中性情境；回顾性组则相反，先接触中性情境，随后经历负面体验。

负面体验回忆期间的冻结反应： 在负面情境回忆期间，前瞻性组和回顾性组小鼠的冻结反应没有显著差异（t34 = 0.36, P = 0.72），即无论哪种情境，负面体验的回忆强度一致。

中性与新环境回忆中的冻结反应： 对中性和新情境的回忆反应分析显示，存在方向（前瞻性 vs 回顾性）和情境（中性 vs 新）之间的显著交互作用（F1,32 = 4.90, P = 0.034）。在回顾性组中，小鼠在中性情境中的冻结率显著高于新情境（t32 = 2.586, P = 0.029），而前瞻性组中没有类似差异（t32 = 0.452, P = 0.6546）。

低强度与高强度电击的实验： d. 钙成像用于观察低强度与高强度电击对回顾性记忆联结的影响。结果表明，接受高强度电击的小鼠在负面情境中表现出更高的冻结率（t18.8 = 5.877, P = 0.000012）。高强度电击组的小鼠在中性情境中的冻结率显著高于新情境（t11 = 4.37, P = 0.002），而低强度电击组则没有显著差异（t9 = 1.23, P = 0.249）。

负面体验强度与记忆联结的关系： 实验还发现，负面记忆的强度与回顾性记忆联结强度呈正相关（R2 = 0.45, P = 0.016），但在低强度电击组中没有这种关联（R2 = 0.0003, P = 0.963）。这表明高强度的负面体验更容易促使过去形成的中性记忆与负面体验相联结。

关键发现

为了探究这种跨时间的记忆整合机制，研究人员设计了一项经典的行为实验，涉及两组小鼠：回顾性组（retrospective group）和前瞻性组（prospective group）。在回顾性组中，小鼠首先暴露于中性环境，两天后再经历另一个环境中的电击刺激（负面体验）。在前瞻性组中，实验顺序相反，先进行负面体验，然后两天后暴露于中性环境。

实验结果表明，在回顾性组中，小鼠在回到中性环境时表现出显著的冻结行为（freezing），这是恐惧反应的标志，而在面对全新环境时没有表现出类似的反应。这表明负面体验促使小鼠将恐惧情绪与先前的中性环境联结起来。而在前瞻性组中，小鼠在中性环境和陌生环境中的反应没有显著差异，表明前瞻性记忆整合未能发生。这些结果提示，强烈的负面体验倾向于回顾性地将恐惧情绪联结到先前的中性记忆，而不是前瞻性地影响未来的中性记忆。

具体数据上，回顾性组的小鼠在中性环境中的冻结率为60%，显著高于陌生环境中的20%。相比之下，前瞻性组的小鼠在中性和陌生环境中的冻结率均约为25%，无显著差异。这些数据进一步支持了回顾性记忆联结的存在及前瞻性整合的缺乏。这种数据的显著性表明，大脑在记忆的整合过程中，更倾向于将强烈情绪体验与先前发生的事件联系起来，从而形成稳定而具有生物学意义的回顾性记忆。

为了更深入理解这些现象背后的神经机制，研究人员通过记录小鼠在不同实验阶段的神经活动，发现了特定神经元集合的协同激活模式。特别是在回顾性整合期间，参与中性和负面记忆编码的神经元集合在离线状态下表现出较高的协同激活频率，这表明这些神经元集合之间存在高度的功能耦合。通过这种耦合，大脑能够形成跨时间的情景联结，使得中性事件和负面体验之间的关系得以巩固。

离线时期的神经元协同再激活

进一步的实验使用钙成像技术记录了小鼠在负面体验后的海马区（hippocampus）CA1区域的神经活动。结果显示，在离线时期（特别是在清醒状态下），不仅与负面体验相关的神经元集合被再激活，之前编码中性记忆的神经元集合也表现出了显著的再激活。这种现象称为“协同再激活（co-reactivation）”，促使原本独立的记忆间产生联系。

具体而言，高强度电击组的小鼠在中性和负面体验编码期间活跃的重叠神经元集合的再激活率达到了40%，而低强度电击组的再激活率仅为15%。这种协同再激活主要发生在小鼠清醒而静止的状态，而非睡眠状态。当小鼠处于清醒但静止的状态时，大脑通过这种短暂且同步的神经元爆发活动（bursting）实现记忆整合。在这些爆发活动中，中性记忆和负面记忆的神经元集合表现出同步活动，这种“共同爆发（co-bursting）”被认为是实现记忆整合的重要神经基础。

神经元的协同再激活不仅反映了神经元在时间上的同步性，也揭示了这些神经元在功能上的相互依赖性。这些发现表明，大脑通过复杂的神经动态活动实现了跨情景和时间点的记忆联结。在实验中，还观察到神经元之间的连接强度随着离线协同再激活次数的增加而增强，这种现象被称为“联结强化（linkage potentiation）”。这种联结强化机制使得记忆之间的联系变得更加持久和牢固，为记忆的长期整合提供了神经基础。

情绪强度与记忆联结的关系

此外，实验还发现，负面体验的强度直接影响记忆整合的效果。通过调节电击的强度，研究人员将小鼠分为低强度组和高强度组。实验结果显示，接受高强度电击的小鼠在回到中性环境时表现出显著的冻结反应，而低强度组的小鼠则未表现出明显的恐惧反应。

具体数据显示，高强度电击组的小鼠在中性环境中的冻结率为70%，而低强度组仅为30%。此外，高强度电击组的小鼠在陌生环境中的冻结率仅为10%，表明这种恐惧反应是特异性联结到中性环境中的，而非情绪的广泛泛化。情绪强度对记忆联结的影响说明了情绪在记忆编码和再激活过程中的调节作用，强烈的情绪能够增强特定情景的记忆表征，使其在后续的再激活中更容易被调取。

情绪强度影响记忆联结的机制可能涉及到杏仁核（amygdala）的调控作用。研究表明，杏仁核在负面情绪体验的高强度状态下表现出显著的活动增强，这一活动通过与海马区的互相作用，增强了负面体验与中性情景之间的联结。杏仁核-海马通路的这种相互作用在高强度情绪下尤为显著，进一步表明情绪在记忆整合中的关键调节作用。

神经元集合的角色：过度激活与记忆枢纽

为了探究协同再激活的机制，研究人员将神经元集合分为四类：只在中性编码期间活跃的集合（中性集合）、只在负面编码期间活跃的集合（负面集合）、在两种编码期间均活跃的集合（重叠集合），以及未在编码期间活跃的剩余神经元集合。结果显示，高强度电击组中，重叠集合在离线时期的活动水平显著高于其他集合，并且在神经元爆发活动中的参与度显著增加。

数据显示，高强度电击组中，重叠集合在离线时期的活动率为45%，而其他集合的活动率均低于20%。这些重叠集合的神经元可能扮演着“枢纽”的角色，通过与其他神经元的广泛连接，协调整个神经网络的活动，从而促进记忆的整合。这些神经元枢纽在多次记忆编码和再激活中表现出持续的高活跃性，使其成为记忆整合的关键节点。

通过对这些神经元枢纽的进一步分析，研究人员发现，它们在大脑的结构网络中占据着高度中心的位置，能够与多个不同功能的神经网络产生有效连接。这种高度中心化的神经元集合使得不同的记忆模块之间得以整合，并有助于将情感信息与认知信息进行有效的整合，形成更为复杂的记忆表征。

离线记忆协同再激活的意义

这些研究结果揭示了离线神经元集合协同再激活在记忆整合中的重要性。这一机制不仅有助于巩固新记忆，还通过将新的负面体验与过去的中性记忆联系起来，使动物在类似情境中更容易做出防御反应。对于动物而言，这种记忆联结机制具有重要的生存意义。当动物经历一次严重威胁时，将恐惧情绪回顾性地联结到先前的环境中，能够帮助其在未来遇到类似环境时更加警觉，从而避免危险。

此外，离线记忆协同再激活的过程表明，大脑在信息处理和整合上具有相当高的灵活性。不同类型的经验信息可以通过离线的神经活动相互联结，形成新的记忆表征。这种机制不仅使得记忆更加稳固，也使得记忆内容更加丰富和有意义。离线时期的记忆整合可以看作是大脑的一种“自我优化”过程，通过不断联结新旧信息，大脑得以生成对环境更为有效的反应模式。

对人类记忆的启示与应用

虽然这些研究是在小鼠中进行的，但其结果对于理解人类的记忆整合机制具有深远的启示。尤其是在创伤后应激障碍（PTSD）等记忆相关疾病中，患者常常在没有实际威胁的情况下表现出强烈的恐惧反应。这样的病理性记忆可能是由于创伤事件将恐惧情绪回顾性地联结到原本无害的记忆中。理解离线时期的记忆协同再激活机制，可能为这些患者提供新的治疗方法，例如通过干预离线记忆整合的过程，减少创伤记忆对其他无害记忆的影响。

在治疗方面，一种可能的策略是通过药物或行为干预来削弱杏仁核与海马之间的过度联结，从而减轻创伤记忆的联结强度。另一种可能的方法是通过增强记忆的情景重新编码（recontextualization），使得患者能够在安全的环境中重新体验创伤记忆，并通过离线时期的再激活来减弱其对日常生活的影响。

离线神经元集合协同再激活是记忆整合的重要机制，通过离线时期同步激活不同的记忆神经元集合，大脑能够将新经验与既往记忆联系起来，从而形成更为复杂和完整的记忆网络。这一机制帮助我们不断更新对世界的认知，使记忆不再是对过去的简单存储，而是动态调整和不断演进的过程。通过这种整合，大脑能够在面对新情境时表现出更高的适应性，既可以根据以往的经验做出快速反应，也可以将新获得的信息整合进已有的记忆网络中，形成更加全面的认知表征。

对于人类而言，理解这一过程不仅有助于深入了解记忆的本质，还可能为治疗记忆相关的心理疾病提供新的方向。离线协同再激活不仅仅是动物大脑的特征，它在人类的记忆巩固、情感调节、甚至学习新技能的过程中也可能扮演关键角色。未来的研究可以进一步探索如何通过调节离线时期的神经活动来增强记忆整合的效果，或者减弱有害记忆之间的联结，从而提升人类的认知和情感健康。

参考文献

Zaki Y, Pennington ZT, Morales-Rodriguez D, Bacon ME, Ko B, Francisco TR, LaBanca AR, Sompolpong P, Dong Z, Lamsifer S, Chen HT, Carrillo Segura S, Christenson Wick Z, Silva AJ, Rajan K, van der Meer M, Fenton A, Shuman T, Cai DJ. Offline ensemble co-reactivation links memories across days. Nature. 2024 Nov 6. doi: 10.1038/s41586-024-08168-4. Epub ahead of print. PMID: 39506117.