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
人類大腦是一個由約140億個神經(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人的行為的測試來觀測腦記憶的形成，即使像我們大家熟知的腦電圖、核磁共振等檢測儀器，也只能觀察到大腦活動的一個“籠統(tǒng)”情況。
如今他們的這項發(fā)現(xiàn)，就如同為人們觀察大腦活動搭建了一個直觀的“平臺”，即通過檢測大腦編碼單元的活動狀態(tài)直接解讀大腦在學習過程中記憶的形成。
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;它負責將人們新的經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為長期的記憶。海馬受損的病人會日復(fù)一日津津有味地閱讀同一張報紙，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，在普林斯頓大學制造了著名的“聰明鼠”，揭示了學習與記憶過程中的重要分子機制)。
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?為了獲得這個對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，運用最新的高密度多通道在體記錄技術(shù)，以小鼠為對象進行了一系列的研究。
小鼠海馬腦區(qū)只有半粒米大小，為了盡可能多地觀測到單個神經(jīng)元的活動情況，研究小組研制了世界上最輕巧的精細微電極推進器，把96根比頭發(fā)還細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幾百個神經(jīng)元的活動情況??傳統(tǒng)的方法在小鼠上只能記錄到幾個至二十幾個神經(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神經(jīng)元，就談不上對神經(jīng)元群體的編碼進行分析了。”
記憶如何“刻骨銘心”
接下來，研究人員設(shè)計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冷風，就像武俠小說中描寫的在月黑風高之夜，一陣突如其來的嗖嗖陰風會使人頓感毛骨悚然一樣，小鼠對這樣的刺激會感到驚恐。
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，如同人們在乘坐的電梯突然失控墜落的過程中所獲得的記憶會刻骨銘心一樣，小鼠對這種極其刺激的經(jīng)驗也會印象深刻。“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驗設(shè)計與新記錄技術(shù)的結(jié)合，來探索和破譯大腦編碼的奧秘。”
其后的實驗觀察發(fā)現(xiàn)，小鼠的海馬區(qū)對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)化成一串二進制數(shù)字，這種數(shù)字化的編碼形式使得科學家們能夠?qū)Σ煌膫€體乃至不同種群動物的大腦編碼活動進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
人類的大腦是一個真正非凡的器官，而人類的記憶亦是如此。即使你認為你的記憶力很差，但你還是擁有一個天生的奇跡：這個器官系統(tǒng)能夠很容易地在一瞬間存儲事情以及回憶往事。
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算機計數(shù)法來衡量嗎?
試圖估計頭骨中那1.5千克大腦的存儲容量可以追溯到至少半個世紀前，那時電子計算機的發(fā)展激起了對人類相對較弱的記憶力與其遠遠較大的腦容量(人們推測人類腦容量肯定很大)之間的比較。
在1956年于美國耶魯大學(Yale University)的一次演講中，計算機科學家約翰·馮·諾依曼(John von Neumann，計算機之父)提出了一個人類大腦容量的估計，約為【三千五百萬億兆字節(jié)】——簡直就是天文數(shù)字，甚至以當今計算機的標準而言亦是一個龐大的數(shù)字。
后來的估計是基于一個假設(shè)：
腦細胞之間一億億個聯(lián)系的信息存儲容量，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。
在檢閱了各種估計之后，佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的計算機科學家Ralph Merkle教授指出，此前這些結(jié)果都或多或少對大腦如何存儲信息作出了不靠譜的假設(shè)。他認為更好的估計可能是來自更直接地測量大腦存儲容量的實驗。
作為一個例子，他引用了在1980年代中期由來自貝爾實驗室(Bell Labs)的Thomas Landauer和他的同事所進行的研究的結(jié)果，在這項研究中，受試者被要求在不同時間回憶不同形式的信息。
結(jié)果，回憶的水平是出奇的一致，而當把這轉(zhuǎn)換成一生大腦可以存儲的數(shù)據(jù)總量時，其結(jié)果為【200兆字節(jié)】。
▲這個數(shù)字要遠少于馮·諾依曼給出的估計，但這個結(jié)果卻是更為精確的。
當然，這也可能會令人失望，因為個人電腦通常有比這更多的存儲容量。
正如Merkle教授所說：“雖然這個結(jié)果可能會打擊我們的自我價值感，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
大腦如何儲存記憶?可以想象的出，這個過程非常復(fù)雜，涉及多種分子、途徑。現(xiàn)在，一項新的研究通過對神經(jīng)元進行深入研究，弄清了大腦如何更新制造新記憶所需的分子的機理。加州大學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，通過對培養(yǎng)的處于生活狀態(tài)的大鼠細胞進行研究，研究人員發(fā)現(xiàn)了明顯的證據(jù)來推翻之前認為的有關(guān)突觸上的受體一直被細胞中的“庫存”補充替代的假說。相反，研究人員發(fā)現(xiàn)突觸受體相對比較穩(wěn)定，在被替換掉之前能夠存活16個小時之久。
有人說，記憶是連接一個人的過去、現(xiàn)在和將來的“精神膠水”。每個人心中的某個角落，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、如何儲存記憶，是腦科學研究的核心問題之一。當前，科學家們主要圍繞兩類重要問題進行研究。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、儲存、讀出和遺忘是如何實現(xiàn)的?
經(jīng)過一年多時間的研究和合作，復(fù)旦大學神經(jīng)生物學研究所卓敏教授、李葆明教授以及韓國國立漢城大學姜奉鈞所領(lǐng)導的研究小組發(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，恐懼記憶也就不能形成。
那么，如何讓“nr2b”受體“睡”著呢?科學家采用了現(xiàn)成的研究工具。一種辦法是利用分子生物學的手段。因為如果“nr2b”受體要發(fā)揮作用，那么其蛋白質(zhì)就必須進行轉(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“nr2b”受體后，就會摁住受體并強行與之結(jié)合，“就像給它套了一條繩子，這樣它就跑不動了。”
實驗多次表明，老鼠注射藥物后會“好了傷疤忘了疼”。
接下來，有趣的動物實驗開始了。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籠子內(nèi)，籠子里安裝了電鈴，當電鈴發(fā)出“當當當”的聲響時，老鼠會轉(zhuǎn)過頭看著電鈴。
這時候，研究人員將老鼠腳底下的鐵絲通電，此時的老鼠被電擊后嚇得亂跳亂叫。再過24小時或48小時后，研究人員再次把這只老鼠放進相同的籠子內(nèi)，這只聰明的老鼠再次回到房間時，顯然長了本事，它會弓著身，顯得驚恐萬分;研究人員把這只老鼠又放進另外一個籠子內(nèi)，但是只要聽到電鈴發(fā)出聲響，老鼠的恐懼記憶就會重現(xiàn)，它還是會把身體弓起來。
李葆明教授解釋說，老鼠弓背的動作是高度恐懼時候的一種行為狀態(tài)。這說明，老鼠對曾經(jīng)受過電擊的環(huán)境和聲音都已經(jīng)形成了恐懼記憶。可謂是“一朝被蛇咬，十年怕井繩”的生動表現(xiàn)。
隨后，研究人員開始了真正的實驗。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小時或48小時后，同樣把這只老鼠放進原先受過電擊的同一只籠子內(nèi)，可是老鼠一點過激反應(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“好了傷疤忘了疼”。
但是李教授一再強調(diào)，實驗人員只做過老鼠害怕電擊這個具體環(huán)境的實驗，并沒有做其他測試(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，還沒有直接的證據(jù)。一些媒體想當然地認為，老鼠既然連電擊這樣的“酷刑”都不怕，自然也不會害怕一只貓，把小老鼠描繪成“天不怕地不怕”的“霸王鼠”，這是極不科學、不嚴謹?shù)恼f法。
研究人員預(yù)測，有望開發(fā)“治恐特效藥”。
研究小組實驗的成功讓科學家們大受鼓舞，因為這一研究成果不僅推動人類對記憶形成的神經(jīng)機制有了更進一步了解，同時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“9·11”或“卡特里娜”颶風等，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，往往都會有嚴重的心理創(chuàng)傷，最終導致恐懼和抑郁癥，這就是“創(chuàng)傷后應(yīng)激綜合癥”。其實，對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靜的心靈。
據(jù)研究人員預(yù)測，將來有朝一日，科學家如果能在此研究基礎(chǔ)上，開發(fā)出無副作用、能控制大腦中負責恐懼記憶的藥物，以供人們在災(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日。
背景知識
“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”。人們在經(jīng)歷過異乎尋常的威脅性或災(zāi)難性心理創(chuàng)傷(幾乎能使每個人產(chǎn)生強烈痛苦)，如身受酷刑、恐怖活動受害者、被強奸、目睹他人慘死等，通常會忘記當時究竟發(fā)生了什么事情，這是大腦的一種保護性反應(yīng)。
但是如果沒有及時的心理干預(yù)和治療，經(jīng)歷過創(chuàng)傷性事件的人很可能因此形成長期的精神障礙，有的人甚至會因此一輩子生活在恐怖和痛苦的情緒中。例如，一個人在小時候看到朋友死亡，十年乃至更長時間后，這個人只要一看到靈車、紙錢，就會產(chǎn)生恐懼，當初發(fā)生的事情會自動闖入他的頭腦中。
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治療:一是在應(yīng)急階段進行的心理危機干預(yù)?；颊呓?jīng)歷創(chuàng)傷事件后的幾天內(nèi)，是接受心理治療的最佳時期。心理治療師首先會告訴患者當時究竟發(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，這時工作人員會在旁邊對他進行心理支持和鼓勵，幫助他從痛苦中走出來。還有一種是遠期的補救治療，方法是一樣的，但是效果遠遠不如在應(yīng)急階段進行的心理危機干預(yù)。
叢教授強調(diào)，目前我國許多患者往往不能接受到及時有效的治療，首先是專業(yè)人員不能及時趕到。其次是缺乏經(jīng)費的支持。還有就是政府還沒有形成相應(yīng)的機制。礦難、水災(zāi)等大的災(zāi)難性事件發(fā)生后，民政部、醫(yī)療隊等都可能及時趕到現(xiàn)場，但是心理治療的專業(yè)人員卻被擋在了外面。
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