所有的存儲設備–從你的大腦到你電腦中的RAM–都是通過改變其物理品質來存儲信息的。130多年前，開拓性神經科學家Santiago Ramón y Cajal首次提出，大腦通過重新安排神經元之間的連接或突觸來存儲信息。
從那時起，神經科學家們就試圖了解跟記憶形成相關的物理變化。但將突觸可視化並繪製成圖是具有挑戰性的工作。首先，突觸是非常小的且緊緊地擠在一起。它們約比標準臨床核磁共振成像所能看到的最小物體小100億倍。此外，在研究人員經常用來研究大腦功能的小鼠大腦中，約有10億個突觸，而它們的顏色跟周圍的組織一樣，都是不透明到半透明的。
然而，來自南加州大學多恩西夫文學、藝術和科學學院的Don Arnold及其同事開發的一種新成像技術可以讓他們能在記憶形成過程中繪製突觸圖。他們發現，形成新記憶的過程改變了腦細胞彼此之間的連接方式。當大腦的一些區域產生更多的連接時另一些區域則失去了這些連接。
繪製魚的新記憶圖
以前，研究人員專註於記錄神經元產生的電信號。雖然這些研究已經證實，在記憶形成后，神經元改變了對特定刺激的反應，但他們無法確定是什麼驅動這些變化。
為了研究大腦在形成新記憶時如何發生物理變化，Arnold他們創建了記憶形成前後條紋魚突觸的3D地圖。而之所以選擇條紋魚作為測試對象是因為它們足夠大，擁有像人一樣的大腦功能，但又足夠小和透明，這可以提供一個了解活體大腦的窗口。
為了在魚體內誘發新的記憶，研究人員使用了一種叫做古典條件反射的學習過程。這包括讓動物同時接觸兩種不同類型的刺激：一種是不會引起反應的中性刺激，另一種是動物試圖避免的不愉快的刺激。當這兩種刺激配對的次數足夠多時，動物就會對中性刺激作出反應，就像它是不愉快的刺激一樣，這表明它已經形成了將這些刺激聯繫在一起的聯想記憶。
作為一個不愉快的刺激，他們用紅外激光輕輕地加熱魚的頭部。當魚甩動它的尾巴時，研究人員認為這是它想逃跑的暗示。當魚被暴露在一個中性刺激下，即一盞燈打開時，尾巴搖動意味着它在回憶以前遇到不愉快的刺激時發生的事情。
為了創建地圖，研究人員對條紋魚進行了基因改造從而使其具有產生熒光蛋白的神經元，這些熒光蛋白跟突觸結合併使其可見。然後通過使用一個定製的顯微鏡對突觸進行成像，該顯微鏡使用的激光劑量比使用熒光生成圖像的標準設備要低得多。由於顯微鏡對神經元造成的損害較小，研究人員得以在不損失其結構和功能的情況下對突觸進行成像。
當比較記憶形成前後的三維突觸圖時，他們發現一個大腦區域，即前外側背板的神經元發展了新的突觸，而主要在第二個區域，即前內側背板的神經元則失去了突觸。這意味着新神經元在一起配對，而其他神經元則破壞了它們的聯繫。以前的實驗表明，魚的背掌可能類似於哺乳動物的杏仁核，那裡儲存着恐懼記憶。
令人驚訝的是，隨着記憶形成而發生的神經元之間現有連接強度的變化很小，跟沒有形成新記憶的對照魚的變化無法區分。這意味着，形成聯想記憶涉及突觸的形成和喪失，但不一定像以前認為的那樣，現有突觸的強度發生變化。
移除突觸可以消除記憶嗎？
這種觀察腦細胞功能的新方法不僅可以為深入了解記憶的實際運作方式打開大門，而且還可以為治療神經精神疾病如PTSD提供潛在的途徑。
聯想記憶往往比其他類型的記憶要強得多，比如關於你昨天午餐吃了什麼的有意識記憶。此外，經典條件反射誘發的聯想記憶被認為類似於導致PTSD的創傷性記憶。否則，跟某人在創傷時經歷的類似的無害刺激會引發對痛苦記憶的回憶，比如一束亮光或一聲巨響可以喚起人們對戰鬥的記憶。新研究揭示了突觸連接在記憶中可能發揮的作用並可以解釋聯想記憶比其他類型的記憶持續時間更長、記得更生動的原因。
目前，治療PTSD最常見的方法是暴露療法，包括反覆讓病人接觸無害但會觸發的刺激以抑制對創傷事件的回憶。在理論上，這間接地重塑了大腦的突觸，從而使記憶不那麼痛苦。儘管暴露療法取得了一些成功，但病人很容易複發。這表明導致創傷性反應的潛在記憶並沒有被消除。
突觸的產生和喪失是否真正推動了記憶的形成仍是一個未知數。Arnodl的實驗室已經開發了能夠快速、精確地移除突觸而不損害神經元的技術。他們計劃使用類似的方法來移除條紋魚或小鼠的突觸，看看這是否會改變聯想記憶。
也許有可能用這些方法從物理上消除作為PTSD和成癮等破壞性疾病基礎的關聯記憶。然而在考慮這種治療方法之前，編碼聯想記憶的突觸變化需要被更精確地定義。並且顯然還有嚴重的倫理和技術障礙需要解決。然而，想象一下突觸手術可以消除壞記憶的遙遠未來還是非常誘人的。