这个故事是由临床精神病学家和一项新研究的合著者Mohsin Ahmed(医学博士)讲述的，它是大脑记忆和联系在时间上分开的事件的强大能力的有力例子。现在，在今天发表的一项关于老鼠的新研究中神经元哥伦比亚大学祖克曼研究所的科学家们揭示了大脑是如何形成这种持久联系的。

科学家们发现了一种令人惊讶的机制，海马体是大脑中对记忆至关重要的区域，通过这种机制，海马体在时间之间架起了桥梁:通过激发看似随机的活动，但实际上构成了一个复杂的模式，随着时间的推移，帮助大脑学习联想。通过揭示联想学习背后的潜在回路，这些发现为更好地理解焦虑、创伤和压力相关疾病(如恐慌和创伤后应激障碍)奠定了基础，在这些疾病中，看似中性的事件可能会引发负面反应。

哥伦比亚大学莫蒂默·b·祖克曼心智大脑行为研究所的首席研究员、该论文的共同资深作者阿提拉·洛松齐博士说:“我们知道，海马体在连接相隔10到30秒的两个事件的学习形式中很重要。”这种能力是生存的关键，但其背后的机制却难以捉摸。通过今天对老鼠的研究，我们绘制了大脑进行的复杂计算，以便将时间上分离的不同事件联系起来。”

海马体是深藏在大脑深处的一个小海马状区域，是学习和记忆的重要总部。先前在老鼠身上进行的实验表明，海马体的破坏会使动物在学习将相隔数十秒的两个事件联系起来时遇到困难。

“普遍的观点是，海马体中的细胞保持着一定程度的持续活动，与这些事件联系在一起，”艾哈迈德博士说。他是哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院的临床精神病学助理教授，也是今天这项研究的第一作者之一。“因此，关闭这些细胞会扰乱学习。”

为了验证这一传统观点，研究人员对老鼠的海马体部分进行了成像，让老鼠暴露在两种不同的刺激下:一种是中性的声音，另一种是小而不愉快的空气。这两件事之间有15秒的延迟。科学家们在几次试验中重复了这个实验。随着时间的推移，老鼠学会了将音调与即将到来的空气联系起来。利用先进的双光子显微镜和功能性钙成像技术，他们记录了在每次试验过程中，动物海马中数千个神经元(一种脑细胞)的活动，同时持续了许多天。

“通过这种方法，我们可以模仿我们自己的大脑在学习将两个事件联系起来时所经历的过程，尽管方式更简单，”洛松齐博士说。他也是哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院(Vagelos College of Physicians and Surgeons)神经科学教授。

为了理解他们收集的信息，研究人员与计算神经科学家合作，他们开发了强大的数学工具来分析大量的实验数据。

“我们期望看到重复的、持续的神经活动持续在15秒的间隙，这表明海马体在工作，将听觉音调和空气膨胀联系起来，”计算神经科学家Stefano Fusi博士说，他是哥伦比亚祖克曼研究所的首席研究员，也是该论文的共同资深作者。“但当我们开始分析数据时，我们没有看到这样的活动。”

相反，在15秒的时间间隔中记录的神经活动是稀疏的。只有一小部分神经元被激活，而且它们似乎是随机的。这种零星的活动与大脑在其他学习和记忆任务(如记忆电话号码)中表现出的连续活动截然不同。

“在整个任务过程中，这种活动似乎是断断续续、随机出现的，”詹姆斯·普里斯特利(James Priestley)说。哥伦比亚大学祖克曼研究所的Losonczy和Fusi是这篇论文的共同第一作者。“为了理解活动，我们必须改变分析数据的方式，并使用旨在理解随机过程的工具。”

最终，研究人员发现了随机性中的一种模式:一种心理计算方式，似乎是神经元存储信息的一种非常有效的方式。而不是不断地相互交流，神经元节省能量——可能是通过在细胞之间的连接中编码信息，称为突触，而不是通过细胞的电活动。

“我们很高兴地看到，大脑并没有在这几秒钟内保持持续的活动，因为从新陈代谢的角度来看，这不是储存信息的最有效方式，”富西博士说。他也是哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院(Vagelos College of Physicians and Surgeons)的神经科学教授。“大脑似乎有一种更有效的方式来建立这个桥梁，我们怀疑这可能涉及改变突触的强度。”

除了帮助绘制与联想学习有关的电路，这些发现还为更深入地探索与联想记忆功能障碍有关的疾病，如恐慌症和创伤后应激障碍，提供了一个起点。

“虽然我们的研究没有明确地模拟这两种疾病的临床症状，但它可以提供大量信息，”艾哈迈德博士说，他也是哥伦比亚祖克曼研究所Losonczy实验室的成员。“例如，它可以帮助我们模拟当患者经历两件事之间的可怕联系时，大脑中可能发生的某些方面，而这两件事对其他人来说不会引起恐惧或恐慌。”