研究团队开发的专门软件根据三维显微镜图像创建突触的具体位置和大小的地图
通过比较学习前后的突触图，我们可以识别出在学习过程中产生或消除的突触
右图中的红线显示了大脑中显示总体收益和总体损失的区域之间的边界
学分:唐·阿诺德，南加州大学 当记忆形成时，大脑会发生什么物理变化？ 南加州大学的一组研究人员首次回答了这个问题，他们在斑马鱼幼体中诱导出一种记忆，然后用像新年前夜时代广场一样被点亮的脑细胞绘制出它们透明头部的变化
经过六年的研究，他们取得了突破性的发现，学习导致突触(神经元之间的连接)在某些区域增殖，在另一些区域消失，而不像通常认为的那样仅仅改变它们的强度
突触的这些变化可能有助于解释记忆是如何形成的，以及为什么某些种类的记忆比其他记忆更强
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，由南加州大学的唐·阿诺德领导
弗雷泽和卡尔·凯塞尔曼
新方法和工具 由于南加州大学发明了一种新型细胞标记和一种定制显微镜，这项研究成为可能
研究人员还开发了一种尖端的方法来跟踪和归档收集的数据，以使他们的发现尽可能容易获得和复制
在他们的工作之前，如果不改变突触的结构和功能，就不可能确定突触在活体大脑中的位置，这使得记忆形成前后的比较变得不可行
通过南加州大学维特比工程学院和南加州大学多恩西夫文学、艺术和科学学院之间的多学科合作，研究小组首次能够确定活体斑马鱼学习前后大脑突触的强度和位置，斑马鱼是一种通常用于研究大脑功能的动物
斑马鱼足够大，有和我们一样的大脑，但是又小又透明，为我们提供了一个观察活体大脑的窗口
通过保持完整的鱼存活，他们能够随着时间的推移比较同一大脑中的突触，这是神经科学领域的一项突破
为了创造记忆来测量，研究小组必须想出新的方法来诱导斑马鱼幼体学习
他们通过训练12天大的鱼将打开的灯与用红外激光加热头部联系起来来做到这一点，他们试图通过游走来避免这一动作
学会将光与即将到来的激光联系起来的鱼会甩动尾巴，表明它们已经学会了
五个小时的训练后，研究小组能够观察并捕捉到这些斑马鱼大脑的显著变化
除了创造这种新方法，南加州大学多恩西夫神经科学家、生物科学和生物医学工程教授阿诺德还领导了一个团队，创造了改变鱼的脱氧核糖核酸的新方法，这样突触的强度和位置就可以用荧光蛋白标记，当激光扫描时，荧光蛋白就会发光
阿诺德说:“我们的探针可以在不改变结构或功能的情况下标记活大脑中的突触，这在以前的工具中是不可能的。”
这使得弗雷泽团队开发的专用显微镜能够扫描大脑并成像突触所在的位置
南加州大学迈克尔逊融合生物科学中心生物科学和生物医学工程教务长弗雷泽说:“我们建造的显微镜是为解决这一成像挑战而量身定制的，并提取了我们需要的知识。”弗雷泽在南加州大学维特比、南加州大学多恩西费和南加州大学凯克医学院任职
“有时候，你试图得到一个如此壮观的图像，以至于杀死了你正在看的东西
对于这个实验，我们必须在获得足够好的图像以得到答案，但又不至于壮观到用光子杀死鱼之间找到正确的平衡
" 显微镜拍摄的图像提供了斑马鱼大脑的三维图像
小绿点是突触
较大的绿点是鱼大脑中神经元的核
学分:唐·阿诺德，南加州大学 借助这种创新的显微镜，他们能够观察活体动物的变化，并获得同一标本变化前后的照片
以前，因为实验是在死亡的标本上进行的，他们只能比较两种不同的大脑，一种是有条件的，一种是没有条件的
弗雷泽说:“这是忍者成像，我们在不被注意的情况下溜进去。”
结果是需要处理和分析数百幅图像和实验
第三组由凯塞尔曼领导，他是南加州大学迈克尔逊融合生物科学中心的计算机科学家
南加州大学维特比工程学院的凯克教授开发了创新的新算法，使之成为可能，同时跟踪调查期间进行的大型复杂实验
令人惊讶的结果 分析这些图像的主要收获是:不是记忆导致现有突触的强度发生变化，而是大脑某一部分的突触被破坏，在大脑的另一个区域产生了全新的突触
“在过去的40年里，普遍的看法是，你通过改变突触的强度来学习，”凯塞尔曼说，他也是南加州大学信息科学研究所信息学部的主任，是丹尼尔·J
爱泼斯坦工业和系统工程系，“但这不是我们在这个案例中发现的
" “这是我们能得到的最好的结果，”阿诺德说，“因为我们看到了突触数量的巨大变化——有些消失了，有些形成了，我们在大脑的一个非常独特的部分看到了这种变化。”
教条是突触改变了它们的强度
但是我惊讶地看到了推拉现象，我们没有看到突触强度的变化
" 结果表明，实验中突触数量的变化编码了记忆，这可能有助于解释为什么消极联想记忆，如与创伤后应激障碍相关的记忆，如此强大
“人们认为记忆的形成主要涉及现有突触连接的重塑，”阿诺德说，“而在这项研究中，我们发现了突触的形成和消除，但我们只看到了现有突触突触强度的微小随机变化。”
这可能是因为这项研究集中在联想记忆上，这种记忆比其他记忆更强大，形成于大脑中不同的地方，即杏仁核，而不是大多数其他记忆的海马体
这可能有一天与创伤后应激障碍有关，创伤后应激障碍被认为是由联想记忆的形成介导的
" 这篇论文和相关研究的一个不同寻常的方面是，它专注于如何使调查结果尽可能透明和可复制，使与论文相关的每一条数据都可以在一个公开的网站“动态突触图谱”上搜索并提供给任何科学家
所有数据和代码的可访问性对于再现科学成果是必不可少的，然而，对用于产生论文的所有数据的访问却很少实现
例如，最近的研究表明，只有20%的癌症研究是可复制的，因为数据不可用
“南加州大学的团队为数据访问设置了一个新的障碍，因为在六年的调查中产生的每一条数据都被捕获并组织起来用于这项研究，”设计这一新范式的凯塞尔曼说
“我们从一开始就通过创建一个为数据共享和数据分析而设计的综合系统来解决这个问题
这在我们做实验时很有用，因为团队可以随时访问数据，这将指导那些想在未来使用我们工作的人
" 弗雷泽说:“我真的相信这是研究透明度的未来，一个新的时代，南加州大学走在了曲线的前面。”
这项正在进行的研究代表了南加州大学与南加州大学迈克尔逊融合生物科学中心、多恩斯菲、维特比和南加州大学凯克医学院的研究人员的最新跨学科合作
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