學習和記憶-人是什麼系列之四

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(題圖是裂腦人H.M)

上一篇題外話從計算的角度說了說什麼是記憶。這一篇我們回到心理學，來看一看心理學是怎麼理解記憶的。這個話題相對來說又好寫，又難寫。因為心理學特別是認知心理學以及隨後的交叉學科認知神經科學裡面有大量的關於記憶的研究內容和結果。可以說是關於腦研究的最主要方向之一。寫一本書都不困難，自然搜集內容寫一篇文章很容易。然而要在一篇網文有限的篇幅內抓住如此之多研究結果，也是一件非常困難的事情。這裡只能搜集一些看上去比較重要的結論，如果忽略了一些關鍵結論，請見諒。以下是正文。

從心理學研究之父馮特定義了心理學的實驗研究方法開始，記憶的機制就是被研究最多的內容之一。因為與記憶相關的行為非常容易做實驗。大部分讀書學習的人都聽過艾賓浩斯遺忘曲線，或者說是學習曲線。艾賓浩斯也是德國人，幾乎跟馮特一個時代，早在1885年就通過研究自己寫了一本書，叫做「關於記憶」。他觀察了自己背誦一個無意義的字母表的過程，看到底自己要用多久才能把這個表背下來。發現了一些有關遺忘的規律。這就是著名的艾賓浩斯遺忘曲線。直到今天，我們仍然藉助這條曲線來幫助學習特別是背誦單詞。考過英文的都懂。

艾賓浩斯之後，各路學者開展對記憶的研究。因為記憶永遠是跟學習結合在一起的，所以大家都是通過學習來研究記憶。比如著名的條件反射，就是最早的相關研究之一。巴甫洛夫發現，通過把兩個沒有關聯的事件搖鈴和餵食放在一次刺激狗，狗會自動建立這兩者之間的關係。這就是所謂accosicate learning關聯式學習。不光可以通過搖鈴讓狗流口水，如果光搖鈴不喂狗，時間長了狗就生氣，不對是刺激反應消退。相關的行為可以總結為以下規律：

習慣化。當一個弱刺激，不產生生理威脅的刺激，反覆出現，同樣刺激相關的影響就會弱化。如芝蘭之室，久而不聞其香。
敏感化。一個剛剛受了強刺激的被試，伴隨的弱刺激，就算是無害刺激，也會產生強烈的反應。
條件反射。不管這兩個刺激之間有沒有關聯，只要反覆同時出現，就會自動建立關聯。訓練條件反射就是這個道理。

這些早期研究可以說是叩開了學習和記憶基本規律的大門。相關的過程被總結為記憶三個步驟，獲得，鞏固，再現。光從字面上就能理解。

在學習和記憶的過程中，到底大腦是怎麼記住的東西的呢。受到條件發射的啟發，加拿大生理學家Donard Hebb在1949年出版的自己的書裡面，提出了著名的Hebb學習規則：當兩個刺激同時出現時，其間的聯繫會被強化。Hebb認為學習就發生在神經元的突觸連接上，具體表現為兩個神經元同時興奮的時候，之間的突觸連接會被強化。這裡插個題外話，hebb的實驗里，人一定需要外界的刺激才能正常生活，如果把外界的刺激關閉，比如把人關在一個小黑屋裡，時間一長，腦子就會胡思亂想，直到發瘋。那些拿關小黑屋懲罰兒童的父母你們自己體會下。

Hebb只是憑自己個天才洞見提出了一種假說。這種假說真正得到驗證要等到諾貝爾獎金獲得者Eric Kandel對海兔的研究工作。因為人，或者高等動物的神經系統實在太複雜，很難從細胞的水平研究。Kandel找到了一種相對簡單的生物，海兔，開展自己的研究。

海兔可以被當作是海里的蝸牛，它的神經系統一共有2萬個神經元，分成9個組團，或者說是神經節。但就算如此低級的生物，它的外部行為也是很複雜的，進食，運動，呼吸，心律，產卵，噴墨等等。Kandel小組觀察了上述行為很長時間，最後覺得太複雜了，每個行為都會涉及到一大堆神經元的激活。要想準確研究生物學習到底在細胞水平上發生了什麼了。需要找到只有一個神經元參與的外部行為。這聽上去似乎不太可能，但是Kandel找到了。海兔的腹神經節是上述9個組團之一，有大約2000個神經細胞，涉及心律，呼吸等。Kandel最終找到了一個行為, 縮腮反射,只涉及到一個神經元。真正的兩萬里挑一。

什麼是縮腮反射篇幅所限，在這裡就不詳細解釋了。總之， kandel觀察到, 在海兔的神經系統中, 有24個感覺神經元,接受外部皮膚刺激, 對皮膚的某一點刺激, 會激活其中6個,這個6個把刺激傳給另外6個運動神經元,引發海兔對刺激做出收縮反映。終於是個個位數了。因此可以仔細觀察。

跳過研究過程，其實是個漫長的歷時數年的實驗過程。直接給結論，之前提到的三種學習規律，習慣化，敏感化，條件反射，都在細胞突觸上得到了體現。習慣化表現為突觸電位減小，敏感化則相反。而條件反射的建立，需要兩種刺激強刺激和弱刺激滿足嚴格的先後關係，最後也表現為突觸連接的強化，而且比敏感化更強。通過以上研究， kandel證明了hebb是對的，學習就是通過積累經驗，改變突觸化學連接上的強度和效率，最後導致了生物行為的改變。說白了學習就是化學調參。

我們從海兔回到人，相比海兔的2萬個神經細胞，人的100億個神經細胞當然要複雜的多。按照我們這個認識什麼系列的習慣，要介紹一個人的生平。就記憶來說，雖然有如此之多的天才和大拿來參與研究，比如提出7+2的米勒等，都不選他們來介紹。我們來介紹一個特別的人，一個被試。現有的記憶理論，基本上都是建立在對這個特殊被試的研究基礎之上的。各路學術大拿都紛紛排隊研究他，也就是H.M。

H.M不是賣衣服的，他是認知心理學上最著名的被試， Henry Moliason名字的縮寫。如同讓加扎尼加明白大腦左右半球功能不同的裂腦人一樣， H.M也是一個嚴重癲癇病患者。 H.M出生在1926年， 7歲的時候，因為騎車摔跤受到了腦損傷，引發了癲癇病。隨著他的長大，癲癇病癥狀越來越嚴重，從間歇性發作到痙攣直至無法控制。按照當時醫生的習慣作法。就是對著腦子來一刀。H.M在1953年 27歲時被切掉了大腦兩側的顳葉，包括海馬的大部分。

H.M是一個天性隨和幽默的人，喜歡看電視，玩填字遊戲。在手術之後，他的癲癇病治好了。初看起來一切正常，但是隨後發現，他學不會新知識了。也就是只有短期記憶，而無法建立長期記憶。之後直到2008年，他82歲去世前， H.M作為被試被各種專家研究。自己則快樂的過完了一生。他平時的工作生活就是玩自己喜歡的填字遊戲，然後讓專家們觀察他的腦部活動。在去世後，他的大腦被送到了UCSD做3d切片研究，直到2014年，完成了全部3d模型的重建。

通過對H.M的研究和觀察，專家發現，他並不是學不會所有的新東西，他還是能夠通過訓練，掌握一些新的過程性的技能。 H.M被切除的部分海馬，是大腦中最古老的部分之一，幾乎所有的生命，包括低級的海兔，都有類似的海馬回。而海馬，被認為是短期記憶，通向長期記憶的路徑。好了我們聽到了各種有關記憶的名詞，為了避免混亂。這裡統一梳理一下。

首先，人的記憶機制並不是單一的，而是有多種工作方式不同的部分。最簡單的劃分，從hebb的研究工作中來，可以分為與剛剛發生事情相關的短期記憶和除此之外的長期記憶。而短期記憶隨後又被分為，在1秒時間內，直接來自於視覺，聽覺之類輸入的感官記憶。和引起注意之後進入意識可以維持數秒的level 1記憶。長期記憶可以被分為，通過訓練獲得，在學會之後不通過注意就可以自動運轉的過程性記憶。和需要意識主動參與的記憶。而有意識主動參與的長期記憶，有可以繼續被分成，表示概念符號的涉及語言的記憶陳述性記憶，和與一個具體場景相關的情景型記憶。通過大腦科學的研究，這5種不同的記憶形式。涉計到的具體神經迴路和工作機制都不同。

比如H.M 並不是不能建立所有的長期記憶, 他還是可以通過訓練,獲得過程性記憶. 所謂過程性是一種意識之外自動運轉的主要和運動相關的機制, 比如騎車,打球,開車,打拳。長期訓練後，都是一些自動化的反應，通過反覆練習，不需要意識介入，就叫學會了。

在來自感官的刺激進入意識之後，有了所謂工作記憶。也就是著名的7+-2理論，人能夠短時間內記住7個左右的組塊。這七個組塊是由輸入和記憶中高階的所謂概念聯合得到的。比如一串數字201711151033，12個數，猛一看記不住，但是把它分解成2017年， 1月， 15日， 10點， 33分，變成了設計概念的5個組塊，人就很容易短時間內記住。

進駐意識的東西都在大腦的新皮層里，其中與概念是與語言相關的部分，比如你會用一段文字來描述或者回憶事情，這些功能都在左腦的特定部分，是進化中最後獲取的能力。而與情景相關的，比如一個場景的圖示，左腦和右腦都有，但是右腦能力更強一些。你可以回憶起一些特定場景，主要跟右腦相關。

進化最後獲取的能力雖然高級，但是資源很有限。超強記憶的秘密，在於開發右腦，也就是充分利用情景記憶。一個有意思的是，人對感覺的記憶能力很弱，不管是音樂，食物都是嘗試過很快就忘記了，要當音樂家，美食家，紅酒專家，需要長期的訓練。大家想想為什麼。

沒有進入意識的東西，屬於進化初期大腦中就有的，涉及腦幹，小腦丘腦，海馬回等迴路。特別是海馬回是從短期到長期記憶轉化的關鍵部位。

現在我們回到海兔，看看在細胞水平不同的記憶是怎麼發生的。海兔當然沒有大腦皮層，以及與意識,概念,工作記憶相關的這些高級貨。但是海兔有類似海馬回的東西，也有短期記憶和長期記憶之分。前面提到過，對於海兔來說，通過刺激，海兔可以改變突觸化學連接的強度，從而改變自己的行為。而實際上，突觸連接，涉及到感官神經細胞的釋放，和運動神經細胞的接受，一開始的所有改變都發生在感官神經細胞的釋放部分。所謂強和弱，取決於感官細胞釋放的神經遞質，谷氨酸，的多少。

在感官細胞和運動細胞之間，還有一組中間神經元，感官細胞除了直接刺激運動細胞之外，還會同時傳送一個很慢的電位給所謂中間神經元，這個慢電位可以持續數分鐘。而所謂中間神經元，接受刺激後，會在適當時間釋放神經遞質5-羥色胺。這種物質可以用來調節谷氨酸作用的強弱。也就是說實際上有兩種迴路，一種是從感官細胞到運動細胞直接傳遞的叫做介導迴路，另外一種是從感官細胞到中間細胞，通過控制直接轉遞的強弱來影響行為的叫控制迴路。所謂短期記憶，直接改變谷氨酸的釋放強度。而長期記憶，與中間神經元的調控作用相關。

Kandel通過研究發現，甚至不需要中間神經元，只要按照一定規律給神經迴路注入5-羥色胺，就可以影響谷氨酸的釋放水平。最後讓突觸的連接長時維持，比如長達數日之久。而在細胞里存在著兩種蛋白， CREB-1， CREB-2，一種用來激活，一種用來抑制。一旦刺激反覆呈現，超過某種閾值，讓CREB-2失活，細胞間就建立了永久聯繫，也就是所謂形成了長期記憶。而如果刺激足夠強大，一次就可以突破閾值，建立長期記憶，這就是所謂閃光燈式記憶。

在隨後的研究中， Kandel還進一步發現, 新突觸連接的形成，還可以進一步細分為兩種，所謂啟動和維持，是兩種不同的機制。這些變化都涉及到基因轉錄，都需要細胞核的介入。突觸的形成需要一種信使RNA，按照Kandel的比喻, 是王子吻醒了睡美人.所謂王子,也是一種特異蛋白CPEB,用來激活轉錄RNA。而前面提到的5-羥色胺的刺激，正是用來激活CPEB。 CPEB一經激活，就變成了自我複製形態。CPEB激活mRNA， mRNA用來合成兩種蛋白酶，一種蛋白酶A幫助CREB-1，一種蛋白酶MAP使的CREB-2失去活性。順帶提一下，關鍵的鑰匙，特異蛋白CPEB，與一種阮病毒類似。細思恐極。

至此，我們在分子水平上，搞明白了短期記憶，和長期記憶全部的形成機制。總結一下，短時記憶調節突觸連接的強度，長時記憶需要形成新的突觸連接，改變了結構。長時記憶的兩種，前面提到的習慣化和敏感化，一種體現在突觸連接的減少，一種體現在新的突觸連接的生成。以上提到的谷氨酸和5-羥色胺在人的大腦中，特別是海馬回中，發生的同樣的作用。

搞明白的記憶的種類，和分子水平的機制之後，我們終於可以開始談談意識。所謂大腦新皮層支撐的，人所以為人的東西。下一篇見！