人的大腦記憶原理_我們是如何記憶的(2)
大腦是如何記憶的
人類大腦是一個(gè)由約140億個(gè)神經(jīng)元組成的繁復(fù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但過去我們只能間接地通過對(duì)人的行為的測(cè)試來觀測(cè)腦記憶的形成，即使像我們大家熟知的腦電圖、核磁共振等檢測(cè)儀器，也只能觀察到大腦活動(dòng)的一個(gè)“籠統(tǒng)”情況。
如今他們的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，就如同為人們觀察大腦活動(dòng)搭建了一個(gè)直觀的“平臺(tái)”，即通過檢測(cè)大腦編碼單元的活動(dòng)狀態(tài)直接解讀大腦在學(xué)習(xí)過程中記憶的形成。
96根微電極插入小鼠“海馬”
林龍年問記者，你知道“海馬”嗎?這是一個(gè)與記憶密切相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)，因其形似海馬而得名;它負(fù)責(zé)將人們新的經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期的記憶。海馬受損的病人會(huì)日復(fù)一日津津有味地閱讀同一張報(bào)紙，還總覺得自己是在看新聞(這一研究的另一位主持者錢卓，于1999年率研究小組，正是通過調(diào)節(jié)小鼠的海馬和前腦中的NR2B基因，在普林斯頓大學(xué)制造了著名的“聰明鼠”，揭示了學(xué)習(xí)與記憶過程中的重要分子機(jī)制)。
那么，記憶在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層次上又是如何編碼的呢?換句話說，記憶在大腦中的物理形式是怎樣的呢?為了獲得這個(gè)對(duì)揭示大腦工作原理至關(guān)重要的答案，林龍年與錢卓一起，花了整整兩年，運(yùn)用最新的高密度多通道在體記錄技術(shù)，以小鼠為對(duì)象進(jìn)行了一系列的研究。
小鼠海馬腦區(qū)只有半粒米大小，為了盡可能多地觀測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)情況，研究小組研制了世界上最輕巧的精細(xì)微電極推進(jìn)器，把96根比頭發(fā)還細(xì)得多的微電極插入小鼠的海馬區(qū)域，成功地記錄到了多達(dá)幾百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)情況??傳統(tǒng)的方法在小鼠上只能記錄到幾個(gè)至二十幾個(gè)神經(jīng)元。
“這一步非常重要，”林龍年博士介紹說，“假如只能觀察到幾個(gè)神經(jīng)元，就談不上對(duì)神經(jīng)元群體的編碼進(jìn)行分析了。”
記憶如何“刻骨銘心”
接下來，研究人員設(shè)計(jì)了幾種新穎的行為模式來研究小鼠的神經(jīng)編碼，一種是在特定環(huán)境中給小鼠背部突然吹上一陣?yán)滹L(fēng)，就像武俠小說中描寫的在月黑風(fēng)高之夜，一陣突如其來的嗖嗖陰風(fēng)會(huì)使人頓感毛骨悚然一樣，小鼠對(duì)這樣的刺激會(huì)感到驚恐。
另一種有趣的模式是，把小鼠放在特制的小電梯中做自由落體下降，如同人們?cè)诔俗碾娞萃蝗皇Э貕嬄涞倪^程中所獲得的記憶會(huì)刻骨銘心一樣，小鼠對(duì)這種極其刺激的經(jīng)驗(yàn)也會(huì)印象深刻。“由于這些經(jīng)歷能夠產(chǎn)生令人難忘的記憶，我們猜想大腦中會(huì)有許多神經(jīng)元參與這些記憶的編碼，因此我們希望通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與新記錄技術(shù)的結(jié)合，來探索和破譯大腦編碼的奧秘。”
其后的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，小鼠的海馬區(qū)對(duì)這種驚嚇刺激果然有著各種各樣的放電反應(yīng)，根據(jù)它們的反應(yīng)特征，研究人員發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元組成了記憶編碼的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元。
更有意義的是，這些編碼單元通過它們的激活狀態(tài)可以把任何一種驚嚇經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成一串二進(jìn)制數(shù)字，這種數(shù)字化的編碼形式使得科學(xué)家們能夠?qū)Σ煌膫€(gè)體乃至不同種群動(dòng)物的大腦編碼活動(dòng)進(jìn)行直接的比較和分析。在觀察到了這一有趣的編碼方式后，錢卓教授曾感慨地說:“大腦記憶系統(tǒng)這種精美的操作設(shè)計(jì)真令人嘆服!”
人類大腦的記憶容量有多少
人類的大腦是一個(gè)真正非凡的器官，而人類的記憶亦是如此。即使你認(rèn)為你的記憶力很差，但你還是擁有一個(gè)天生的奇跡：這個(gè)器官系統(tǒng)能夠很容易地在一瞬間存儲(chǔ)事情以及回憶往事。
那么，人類的大腦的記憶容量有多少呢?它是否能以常見的計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)法來衡量嗎?
試圖估計(jì)頭骨中那1.5千克大腦的存儲(chǔ)容量可以追溯到至少半個(gè)世紀(jì)前，那時(shí)電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展激起了對(duì)人類相對(duì)較弱的記憶力與其遠(yuǎn)遠(yuǎn)較大的腦容量(人們推測(cè)人類腦容量肯定很大)之間的比較。
在1956年于美國(guó)耶魯大學(xué)(Yale University)的一次演講中，計(jì)算機(jī)科學(xué)家約翰·馮·諾依曼(John von Neumann，計(jì)算機(jī)之父)提出了一個(gè)人類大腦容量的估計(jì)，約為【三千五百萬億兆字節(jié)】——簡(jiǎn)直就是天文數(shù)字，甚至以當(dāng)今計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)而言亦是一個(gè)龐大的數(shù)字。
后來的估計(jì)是基于一個(gè)假設(shè)：
腦細(xì)胞之間一億億個(gè)聯(lián)系的信息存儲(chǔ)容量，其結(jié)果是大約【四千萬兆字節(jié)】，這也是很巨大的，但沒法與馮·諾依曼的數(shù)據(jù)相比。
在檢閱了各種估計(jì)之后，佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Ralph Merkle教授指出，此前這些結(jié)果都或多或少對(duì)大腦如何存儲(chǔ)信息作出了不靠譜的假設(shè)。他認(rèn)為更好的估計(jì)可能是來自更直接地測(cè)量大腦存儲(chǔ)容量的實(shí)驗(yàn)。
作為一個(gè)例子，他引用了在1980年代中期由來自貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Labs)的Thomas Landauer和他的同事所進(jìn)行的研究的結(jié)果，在這項(xiàng)研究中，受試者被要求在不同時(shí)間回憶不同形式的信息。
結(jié)果，回憶的水平是出奇的一致，而當(dāng)把這轉(zhuǎn)換成一生大腦可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)總量時(shí)，其結(jié)果為【200兆字節(jié)】。
▲這個(gè)數(shù)字要遠(yuǎn)少于馮·諾依曼給出的估計(jì)，但這個(gè)結(jié)果卻是更為精確的。
當(dāng)然，這也可能會(huì)令人失望，因?yàn)閭€(gè)人電腦通常有比這更多的存儲(chǔ)容量。
正如Merkle教授所說：“雖然這個(gè)結(jié)果可能會(huì)打擊我們的自我價(jià)值感，但它能表明，我們只需要稍多于我們現(xiàn)在有的硬件就可以創(chuàng)造出一種有著人類技能和能力的設(shè)備——如果我們知道正確的方式來組織硬件的話。”
人類大腦是如何記憶的
大腦如何儲(chǔ)存記憶?可以想象的出，這個(gè)過程非常復(fù)雜，涉及多種分子、途徑?，F(xiàn)在，一項(xiàng)新的研究通過對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行深入研究，弄清了大腦如何更新制造新記憶所需的分子的機(jī)理。加州大學(xué)舊金山分校的研究人員的這一發(fā)現(xiàn)是12月22日Neuron雜志的封面故事。 在新研究中，通過對(duì)培養(yǎng)的處于生活狀態(tài)的大鼠細(xì)胞進(jìn)行研究，研究人員發(fā)現(xiàn)了明顯的證據(jù)來推翻之前認(rèn)為的有關(guān)突觸上的受體一直被細(xì)胞中的“庫(kù)存”補(bǔ)充替代的假說。相反，研究人員發(fā)現(xiàn)突觸受體相對(duì)比較穩(wěn)定，在被替換掉之前能夠存活16個(gè)小時(shí)之久。
有人說，記憶是連接一個(gè)人的過去、現(xiàn)在和將來的“精神膠水”。每個(gè)人心中的某個(gè)角落，總有某些揮之不去、刻骨銘心的記憶，而這種記憶往往和悲歡或恐懼等事件密切相關(guān)。
因此，如何發(fā)生記憶、如何儲(chǔ)存記憶，是腦科學(xué)研究的核心問題之一。當(dāng)前，科學(xué)家們主要圍繞兩類重要問題進(jìn)行研究。一種是，人類各種形式的記憶在大腦中是如何組織的?另外一種是，記憶的編碼、儲(chǔ)存、讀出和遺忘是如何實(shí)現(xiàn)的?
經(jīng)過一年多時(shí)間的研究和合作，復(fù)旦大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究所卓敏教授、李葆明教授以及韓國(guó)國(guó)立漢城大學(xué)姜奉鈞所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，大腦前扣帶皮層神經(jīng)元的“nr2b”受體對(duì)恐懼記憶的形成至關(guān)重要。
李葆明教授告訴記者，通俗一點(diǎn)講，也就是說恐懼記憶到底能否形成，位于大腦前扣帶皮層神經(jīng)元“nr2b”受體起了決定性作用。假如大腦前扣帶皮層神經(jīng)元“nr2b”受體“睡覺”了，不能發(fā)揮作用時(shí)，恐懼記憶也就不能形成。
那么，如何讓“nr2b”受體“睡”著呢?科學(xué)家采用了現(xiàn)成的研究工具。一種辦法是利用分子生物學(xué)的手段。因?yàn)槿绻?ldquo;nr2b”受體要發(fā)揮作用，那么其蛋白質(zhì)就必須進(jìn)行轉(zhuǎn)錄、翻譯，但是如果破壞蛋白質(zhì)翻譯這一環(huán)節(jié)，“nr2b”受體就不能發(fā)揮其原有功能;第二種辦法是，通過藥理學(xué)手段把“nr2b”受體的活性阻斷。
李葆明教授解釋說，這種藥物被注射進(jìn)“nr2b”受體后，就會(huì)摁住受體并強(qiáng)行與之結(jié)合，“就像給它套了一條繩子，這樣它就跑不動(dòng)了。”
實(shí)驗(yàn)多次表明，老鼠注射藥物后會(huì)“好了傷疤忘了疼”。
接下來，有趣的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)開始了。研究人員選擇了膽小的老鼠，它們首先把一只正常的老鼠放入一個(gè)籠子內(nèi)，籠子里安裝了電鈴，當(dāng)電鈴發(fā)出“當(dāng)當(dāng)當(dāng)”的聲響時(shí)，老鼠會(huì)轉(zhuǎn)過頭看著電鈴。
這時(shí)候，研究人員將老鼠腳底下的鐵絲通電，此時(shí)的老鼠被電擊后嚇得亂跳亂叫。再過24小時(shí)或48小時(shí)后，研究人員再次把這只老鼠放進(jìn)相同的籠子內(nèi)，這只聰明的老鼠再次回到房間時(shí)，顯然長(zhǎng)了本事，它會(huì)弓著身，顯得驚恐萬分;研究人員把這只老鼠又放進(jìn)另外一個(gè)籠子內(nèi)，但是只要聽到電鈴發(fā)出聲響，老鼠的恐懼記憶就會(huì)重現(xiàn)，它還是會(huì)把身體弓起來。
李葆明教授解釋說，老鼠弓背的動(dòng)作是高度恐懼時(shí)候的一種行為狀態(tài)。這說明，老鼠對(duì)曾經(jīng)受過電擊的環(huán)境和聲音都已經(jīng)形成了恐懼記憶?？芍^是“一朝被蛇咬，十年怕井繩”的生動(dòng)表現(xiàn)。
隨后，研究人員開始了真正的實(shí)驗(yàn)。他們把這只老鼠注射了阻斷“nr2b”受體的藥物，這一次又給它施加一次電擊。24小時(shí)或48小時(shí)后，同樣把這只老鼠放進(jìn)原先受過電擊的同一只籠子內(nèi)，可是老鼠一點(diǎn)過激反應(yīng)都沒有，即使讓它聽電鈴聲，它也毫無反應(yīng)。好像此前根本不曾經(jīng)歷電擊這樣的“酷刑”。李葆明教授告訴記者，這一現(xiàn)象表明，“nr2b”受體的活性降低或受阻后，老鼠都不能形成恐懼記憶，也就會(huì)“好了傷疤忘了疼”。
但是李教授一再?gòu)?qiáng)調(diào)，實(shí)驗(yàn)人員只做過老鼠害怕電擊這個(gè)具體環(huán)境的實(shí)驗(yàn)，并沒有做其他測(cè)試(例如，貓鼠游戲等)。注射藥物后的老鼠可能什么東西都不怕，但這目前只能是猜測(cè)，還沒有直接的證據(jù)。一些媒體想當(dāng)然地認(rèn)為，老鼠既然連電擊這樣的“酷刑”都不怕，自然也不會(huì)害怕一只貓，把小老鼠描繪成“天不怕地不怕”的“霸王鼠”，這是極不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法。
研究人員預(yù)測(cè)，有望開發(fā)“治恐特效藥”。
研究小組實(shí)驗(yàn)的成功讓科學(xué)家們大受鼓舞，因?yàn)檫@一研究成果不僅推動(dòng)人類對(duì)記憶形成的神經(jīng)機(jī)制有了更進(jìn)一步了解，同時(shí)也為治療抑郁癥等某些心理疾病，提供了開發(fā)藥物的新途徑。
眾所周知，類似美國(guó)“9·11”或“卡特里娜”颶風(fēng)等，這種突如其來的重大災(zāi)難發(fā)生后，死里逃生的人們，尤其是婦女和兒童，往往都會(huì)有嚴(yán)重的心理創(chuàng)傷，最終導(dǎo)致恐懼和抑郁癥，這就是“創(chuàng)傷后應(yīng)激綜合癥”。其實(shí)，對(duì)于這些留有恐懼等不良記憶的人來說，他們最迫切希望得到的恩賜，恐怕就是擁有一顆寧?kù)o的心靈。
據(jù)研究人員預(yù)測(cè)，將來有朝一日，科學(xué)家如果能在此研究基礎(chǔ)上，開發(fā)出無副作用、能控制大腦中負(fù)責(zé)恐懼記憶的藥物，以供人們?cè)跒?zāi)難或者創(chuàng)傷后服用，這就有可能幫助人類消除或緩解精神創(chuàng)傷。但是李教授還明確表示，這項(xiàng)最新研究成果只是為藥物開發(fā)提供了一種新途徑，但真正的藥物問世還有待時(shí)日。
背景知識(shí)
“創(chuàng)傷后應(yīng)激綜合癥”治療現(xiàn)狀
“創(chuàng)傷后應(yīng)激綜合癥”，又稱“創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙”。人們?cè)诮?jīng)歷過異乎尋常的威脅性或?yàn)?zāi)難性心理創(chuàng)傷(幾乎能使每個(gè)人產(chǎn)生強(qiáng)烈痛苦)，如身受酷刑、恐怖活動(dòng)受害者、被強(qiáng)奸、目睹他人慘死等，通常會(huì)忘記當(dāng)時(shí)究竟發(fā)生了什么事情，這是大腦的一種保護(hù)性反應(yīng)。
但是如果沒有及時(shí)的心理干預(yù)和治療，經(jīng)歷過創(chuàng)傷性事件的人很可能因此形成長(zhǎng)期的精神障礙，有的人甚至?xí)虼艘惠呑由钤诳植篮屯纯嗟那榫w中。例如，一個(gè)人在小時(shí)候看到朋友死亡，十年乃至更長(zhǎng)時(shí)間后，這個(gè)人只要一看到靈車、紙錢，就會(huì)產(chǎn)生恐懼，當(dāng)初發(fā)生的事情會(huì)自動(dòng)闖入他的頭腦中。
據(jù)著名心理干預(yù)咨詢師叢中介紹，目前，治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙主要依靠心理疏導(dǎo)治療:一是在應(yīng)急階段進(jìn)行的心理危機(jī)干預(yù)。患者經(jīng)歷創(chuàng)傷事件后的幾天內(nèi)，是接受心理治療的最佳時(shí)期。心理治療師首先會(huì)告訴患者當(dāng)時(shí)究竟發(fā)生了什么事情，解開患者心中一直懸而不決的疑問。
患者知道真相后的第一反應(yīng)是痛苦，這時(shí)工作人員會(huì)在旁邊對(duì)他進(jìn)行心理支持和鼓勵(lì)，幫助他從痛苦中走出來。還有一種是遠(yuǎn)期的補(bǔ)救治療，方法是一樣的，但是效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如在應(yīng)急階段進(jìn)行的心理危機(jī)干預(yù)。
叢教授強(qiáng)調(diào)，目前我國(guó)許多患者往往不能接受到及時(shí)有效的治療，首先是專業(yè)人員不能及時(shí)趕到。其次是缺乏經(jīng)費(fèi)的支持。還有就是政府還沒有形成相應(yīng)的機(jī)制。礦難、水災(zāi)等大的災(zāi)難性事件發(fā)生后，民政部、醫(yī)療隊(duì)等都可能及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)，但是心理治療的專業(yè)人員卻被擋在了外面。
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