记忆从何而来?
2020-10-09 17:46

记忆从何而来?

本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Helen Thomson,译者:Index,审校:山鸡、阿莫東森,编辑:北方,题图来自:《盗梦空间》


记忆确保我们不至迷惘。它是维系我们每个人生活的纽带,连接着我们的过去和现在。


然而,直到最近我们才拼凑出记忆背后非同寻常的脑科学机制——这是一个关于遗忘症患者、思维宫殿和与幽灵般的嘉年华的故事。


我们了解记忆最早的类比之一来自古希腊——柏拉图将记忆比作为蜡版上的雕刻,他最喜爱的学生亚里士多德在自己的著作中也继续引用这样的比喻。


亚里士多德解释说,童年的遗忘是因为蜡质太过于柔软,而老年的遗忘则是因为其过于坚硬。


他认为,记忆并不位于大脑,而是遍布全身。他认为大脑的存在只是为了冷却我们灼热的心脏——我们的灵魂所在地。


- James O'Brien -


在很长的一段时间里,人们都倾向于关注心脏而不是大脑——一部分原因是教会禁止解剖人脑。事实上,直到17世纪,人们才意识到大脑有思考的能力。


19世纪末,德国的心理学家赫尔曼·艾宾浩斯(Hermann Ebbinghaus)首次使用科学方法研究记忆。他不关注记忆在大脑中的何处,而是关注记忆是如何工作的。


在他最著名的实验中,艾宾浩斯发明了一张由超过2000个“无意义单词”(例如“kaf”和“nid”)组成的词表。通过观察对这些词汇的再认(recall)随时间变化的状态,他发现我们的遗忘进程是一个“指数曲线”——也就是说,学习刚结束时遗忘得最快;其后,随着时间的流逝,遗忘的速率会变慢。


同时,艾宾浩斯也划分了三种记忆类型——感觉记忆(sensory memory)短时记忆(short-term memory)长时记忆(long-term memory)。这种划分方式沿用至今。


- Anna Godeassi -


感觉记忆是进入大脑的第一种记忆:它就是一瞬间的事儿——例如衣服碰到皮肤的触感,或篝火传入鼻腔的味道。倘若我们没有注意到这些记忆,它们将会消失的无影无踪。然而,如果你对其进行思考,它们将会进入短时记忆中。


人们在日常生活中,时常运用到短时记忆而不自知。比如,你能在句子的结尾明白其中所表达的含义,是因为你还记得句子开头讲了什么。


研究人员们认为我们短时记忆的容量为7个物件(item),记忆保持时长在15到30秒左右。对短时记忆的复述(rehearsal)可以将其转为长时记忆——那个空间近乎无限的用于长时间储存记忆的地方。


心智的理论


其后几十年的研究拓宽了我们对记忆的理解。这其中最有影响力的人之一,则是英国心理学家弗雷德里克·巴特利特(Frederic Bartlett)


他在1914年进行了一系列实验——他要求学生读一个故事,然后将它们复述出来。


通过分析这些故事如何在几天、几个月,和几年中转变,他提出记忆是对事件的不完美重构。他认为,我们只记住很小一部分的原始观察,并利用文化参照和个人知识来填补空缺的部分。


弗雷德里克·巴特利特——剑桥大学第一位实验心理学教授,Alchetron


尽管我们对于人类记忆的了解越来越深入,仍有很多疑问等待解决。记忆存储于何处?记忆到底为何物?这些都是美国心理学家卡尔·拉什里(Karl Lashley)用尽一生尝试回答的问题。


他最著名的实验,是在大鼠的大脑皮层特定区域内,寻找记忆的痕迹——沟壑曲折的大脑皮层在认知、感知、决策和其他关键功能中起着重要作用。


从1935年开始,他在大鼠进行迷宫训练前后,系统性地破坏特定的脑区。但是无论哪一部分的脑区被破坏,被训练过的大鼠的仍然比未被训练过的大鼠更快逃出迷宫。


拉什里得出结论:我们的学习和记忆能力必然与很多不同的脑区相关,而非由某个特定脑区决定。


卡尔·拉什里关于大鼠大脑的记忆储存实验,Discover Magazine


一个叫做亨利·莫莱森(Henry Molaison)的病人成为了这个理论的关键。


莫莱森经历了很多次严重的癫痫发作,他本人同意进行刺激性的实验性治疗。1953年,外科医生在他头上钻了个洞,将引起癫痫的部分——名为“海马体”的大脑两侧的海马状区域——吸了出来。



这个手术很成功,在很大程度上解决了他的癫痫,但莫莱森却因此患上了很严重的健忘症,无法长期储存新的记忆。


然而,莫莱森可以记住大部分手术前几年的事情。他也能形成程序记忆(procedural memory),这是长时记忆中有关“如何做某事”的一种记忆,例如如何骑自行车。


莫莱森的记忆问题表明,海马体是产生新记忆的关键,但记忆本身储存在大脑的其他地方


正常大脑与亨利·莫莱森术后大脑对比,Duck University


关键术语(Key terms)


海马体:大脑中形成不同记忆的关键区域。形状很像海马。


神经元:一种特殊的细胞,以电活动的形式在大脑中传递信息。我们脑中有大约860亿个这样的细胞。


神经递质:一种化学信使。电信号脉冲促使神经元末端释放神经递质。神经递质在突触间隙中扩散,增强或者抑制附近的神经元电脉冲。


语义记忆:有关想法或事实的长时记忆,这些记忆不来自于个人经验,比如对于姓名或者颜色的记忆。


突触:两个神经元之间的空隙,可以将一个神经细胞的活动传导到下一个细胞中。这些突触结构的变化对于记忆和学习是不可或缺的。


在接下来的46年里,包括苏珊娜·科金教授(Suzanne Corkin)在内的神经科学家对莫莱森进行了定期的测试——尽管对于莫莱森来说,每次相同的的对话都像是第一次发生一样。“说起来挺有意思的,”莫莱森对科金说,“人们都在边活边学。我在正常生活,而你在因为我的生活而学到新的东西。”


尽管莫莱森的案列表明记忆并非由大脑中某一特定区域负责,但它仍然没有回答记忆是如何形成的。


一起激发的神经元连在一起


1906年,卡米洛·高尔基(Camillo Golgi)和圣提亚哥·拉蒙-卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)因展示了神经元解剖结构的细胞染色技术的进步,共同被授予诺贝尔奖。


多亏他们的工作,科学家们知道了在脑内有数百万的神经元以电脉冲(electrical impulses)的方式来传递信息。当一个脉冲到达了神经元的末端,这个电信号会促进神经递质(neurotransmitters)释放。这些神经递质穿越突触间隙,作用于相邻的神经元,从而增强或者抑制第二个神经元产生电脉冲。但是,这些神经元如何形成长时记忆依旧是个谜。


- Taylor Callery -


这个局面持续到1949年,直到唐纳德·赫布(Donald Hebb)出版了上世纪最具影响力的神经科学理论之一。他写道,两个总是同时活跃的脑细胞很可能“关联”起来。


它们的解剖学和生理学结构将会发生变化,从而促成新联结的形成或是旧联结的增强。赫布说,一个神经元的活动会促进其后的神经元活动。你也会经常听到这样的总结:“一起激发的神经元连在一起(Neurons that fire together, wire together)。”


举个例子,玫瑰花的香味和名字这两个相关联的概念,能够反复多次同时地刺激脑内对应的神经元,这些刺激使得对应神经元的形状发生改变,其间联结增强。


因此,与玫瑰花气味相联系的神经元,更可能刺激对应玫瑰花名字的神经元。


赫布说,这就是长时记忆储存的基础。这些记忆能持续保存,是因为它们成为了神经结构中独一无二的部分。人们回忆的频率越高,记忆就越强、越持久。


- Anna Godeassi -


几乎在同一时间,加拿大的外科医生怀尔德·潘菲尔德(Wilder Penfield)表明了刺激部分皮层可以唤醒记忆。


潘菲尔德对清醒的癫痫病人进行手术。在给一名女性病人做手术时,他刺激了大脑皮层内覆盖海马状突起的区域。


他的病人说到:“我觉得我听到了一位母亲在某处叫他的小儿子,这似乎是很多年前在我住处附近发生的一件事。


潘菲尔德再次刺激这个位置,母亲的声音再次出现在患者的脑海。潘菲尔德将刺激点稍微向左移一点,突然间这位女患者听到了更多的声音。她说,那是一个深夜,他们刚从嘉年华回来。“那儿有很多用来装运动物的大货车”。


潘菲尔德的操作似乎使尘封已久的记忆回到病人的头脑,就像是从一本满是灰尘的相册里随机抽出一张照片那样。


- Taylor Callery -


回忆仍是一个至今仍然没有被完全理解的神秘过程。来自华盛顿大学的伊丽莎白·洛夫斯特教授(Elizabeth Loftus)的研究,使我们发现自己的回忆并不总是准确的。


在90年代,她在人们的头脑中植入了虛假记忆,她说服人们相信虚假的哽噎事件、濒死的溺亡事件,她甚至让人们相信他们曾被恶魔附体。她指出,疲劳、吸毒和智力低下都可能形成错误记忆的风险。


她的研究揭示了一些十分不同寻常的东西:那就是,即便是已经成型的记忆,也并非是一成不变的。每当我们回忆时,我们会增强那些已经存在的神经通路,这使得这些记忆增强,成为我们的更长期的记忆。


但是在回忆的一小段时间里,我们的记忆是可塑的——我们可以重塑,甚至篡改它。


海马体:记忆形成之处


随着成像技术的进步,研究者们再次将注意力放在对脑内记忆存储之地的精确定位上。现在我们知道,海马体的作用是将某个记忆的不同方面整合在一起。


人类大脑中海马体的位置,Neuroscientific


当人们企图学习一些新的联结,并在稍后回忆时,谁的海马体产生最多的活动,谁的回忆成绩就最好。


仿佛海马体在一开始,就将这些联结更好地整合在了一起。


这时,通过把所有的线索拼在一起,研究人员以为有了一个很好的记忆理论:他们推测所有传入的信息在汇聚到海马体之前,都在大脑皮层中被简单地处理过。


海马体对新信息进行分类,判断这些信息“有多重要”(即这个信息是否值得被记住)之后,对有必要的信息,通过形成新突触将信息编码到脑中。


然而,记录和操纵大脑活动的先进方法,在近期颠覆了这一理论。



2017年,由高石北村(Takashi Kitamura)带领的麻省理工学院研究团队发现,短时记忆和长时记忆实际上是同时产生的。


北村的团队使用的新技术包括光遗传学(optogenetics),这项技术利用光来激活和抑制细胞。他们也利用了单个记忆细胞的标记技术。研究团队在实验小鼠进入房间时给它们一个微弱电击,从而使小鼠对这个房间产生恐惧。


训练一结束,研究人员就能看到在海马体和前额皮质(前额后面的一个区域)中形成的电击记忆。


然而,在前额皮质中的记忆细胞却处于静息状态。记忆的痕迹确实存在——当研究者人为地刺激这些细胞时,这些老鼠呆住了,就如同再次身临其境,感受到了恐惧。


光遗传技术原理,Wikipedia


记忆并没有逐渐从海马体转移到大脑皮层——它似乎已经在皮层里了。两周后,大脑皮层记忆细胞的形状和活动发生了变化,当老鼠来到这个小房间时,大脑皮层的记忆细胞自己变得活跃起来,这时海马记忆细胞反而处于静息状态。


这种分析人类大脑的复杂方法将继续帮助我们理解健康的记忆,以及当它被疾病破坏时发生了什么。


- Eva Vázquez -


然而,有一些方法可以提高你的记忆力。伦敦大学学院的埃莉诺·马奎尔(Eleanor Maguire)教授的研究表明,世界上最优秀的记忆者的大脑在解剖学上和其他人没有任何不同:记忆冠军们只是利用了一种古老的技术,称为“位置法(method of loci)”。


想要记住大量的东西,你可以把它们放在一个“思维宫殿”周围。这可以是任何你熟悉的地方。要想回忆这些东西,你只需回忆你放置这些记忆的路线,并提取这些记忆即可。


这个技巧可以让你在日后更易回忆起你所需要的事。试试吧:任何人都可以成为超级记忆者。


原文:https://www.sciencefocus.com/the-human-body/where-do-memories-form-and-how-do-we-know/


本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Helen Thomson,译者:Index,审校:山鸡、阿莫東森,编辑:北方

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