15.人脑记忆的存储与提取？125个科学问题

人脑是思维意识的物质载体，其强大的记忆功能是一切高级思维存在的基础，人脑究竟是如何存储和恢复信息的，一直以来就是一个具有重要意义的科学问题：

图1 人脑组织的图像

15.记忆是如何存储和恢复的？ How Are Memories Stored and Retrieved?

人脑组织是任何个体拥有其独特性质的全部基础，这个横跨在两耳之间重达1.4公斤的物质（如果包括承载脑组织的头骨、牙齿和面部肌肉等外围组织后大脑重量在10到11 磅左右，即4.5-5.0公斤）包含了一个人所知道的任何事物：关于这个世界有用没用的一切知识的概况，个人的生活经历和人生历史，个体所掌握的从骑自行车到劝说爱人去外面倒垃圾的所有技能，等等。总之，存储在大脑里的所有记忆构成了一个人的全部世界。

图2 人脑的大体分区和基本功能（侵删）

所以，让我们每一个人独一无二的东西就是记忆，不同的记忆刻画了不同的个体，并保持了独特个体的连续性。尽管个体之间肉体上的差别很小，而且不同时期人的肉体也在不停地改变（一直在不断地更新代换），但这个独特的人却一直存在，其根本的原因就是大脑中独一无二的记忆。所以理解记忆在大脑中如何存储对于认识自己、改变人生都是一个至关重要的问题。

图3 美Salk研究所的科学见对海马体中神经细胞突触的模拟图像

神经科学家们在识别大脑的关键区域和不同功能分子的潜在机制方面已经取得了巨大的进步。然而，还有许多重要的问题目前仍无法解答。并且，在整个大脑和分子机制的研究之间还存在着一条明显的鸿沟，因为从分子机制层面到大脑宏观记忆之间不存在必然的逻辑关系，也就是说研究清楚了每一个神经元分子的内在机制后并不能必然清楚地解析出整个大脑的记忆功能。

图4 海马体CA3区的神经元结构组织，绿色是神经元细胞核，红色为神经元轴突（侵删）

现代记忆的研究工作被认为起始于1957年的发表的一篇论文[1]，该工作的核心是持续研究了一个叫亨利·莫莱森（Henry Gustav Molaison，简写为H.M.）的神经病人（该患者是二十世纪大脑神经学的著名案例，被称为H.M. Case）。在大约7岁的时候，H.M.在一次意外中脑部受伤，然后他开始出现轻微的癫痫症状，并随着年龄的增长其癫痫不断加剧，他16岁的时候癫痫变得非常严重，27岁的时候他彻底丧失了工作能力。正是这个时候，一个神经科学的研究团队开始了对其长达50多年的治疗研究（从27岁到82岁），该项著名的研究工作对揭示大脑的记忆机制起到了重要的推动作用。

图5 亨利·莫莱森 H.M. （1926-2008）

1953年， 27岁的H.M.饱受大脑癫痫的折磨，他被带到了哈佛医学院的神经外科医生斯科维尔（Scoville）博士的面前，为了减轻他的癫痫症状，医生决定将其大脑两边的内侧颞叶（MTL）做整块的切除（图6）。手术很成功，他的癫痫不再发作，但却使H.M.失去了记忆能力（健忘症），也就是手术后的H.M.不能记住所有新发生的事情，以及任何他见过的人。这个案例表明包括海马体在内的内颞叶（MTL），对于形成新的记忆至关重要。对H.M.的深入研究还揭示出记忆并不是单一的。对H.M.的另一项研究是让他做一个镜像绘画的练习，虽然H.M.并不能记住他曾经做了什么练习，但他的镜像绘画能力在3天之后稳步提升。这个实验发现对大脑来说，记住如何做（肢体记忆）与记住什么事情（知识记忆）并不相同，也就是运动的记忆和知识信息的记忆是不同的记忆，它们分属于大脑的不同区域。

图6 大脑区域图和内侧内侧颞叶（MTL）

借助动物实验以及人脑影像学的发展，科学家们现在对于各种不同种类的记忆以及每种记忆与大脑的哪一部分相关有了深入的理解和认识。但从区域到整体的知识缺口依然存在。虽然H.M.的案例确实证明内侧颞叶（MTL）对于陈述性记忆（即对事实与事件的记忆）非常重要，然而人们对该区域依然一无所知，在记忆的编码与提取过程中该区域的各个不同组分之间是如何相互作用完成记忆存储和提取的问题仍未被解决。而且，内侧颞叶（MTL）也不是陈述性记忆最终的存储室，这类记忆很明显被存储于大脑皮层中，而且能够长期保持，但这到底是如何发生的以及记忆在大脑皮层中是如何表现的，至今仍不清楚。

在一个多世纪以前，伟大的西班牙神经解剖学家S. R. Cajal（拉蒙.卡扎尔）就提出，记忆的形成和神经元之间相互联系的加强有关。那个时代人们普遍认为成人的大脑不会再产生新的神经元，所以拉蒙.卡扎尔对记忆做这样的合理假设：记忆一定是改变了已经存在的神经元之间的某种联系（图3和图4）。但直到现在，科学家们关于这个方面的证据依然很少。

图7 神经元细胞及其通过突触的连接图（侵删）

从二十世纪七十年代起，基于分子生物学的神经系统研究已经鉴定出与记忆形成有关的许多分子。它们当中有很多分子的功能相当复杂，它们同时与陈述性和非陈述性记忆都有关，并且这种分子在很多物种，如海蛞蝓、果蝇以及啮齿动物中都存在，所以记忆的分子机制目前看来依然是没有被开发的不毛之地。但这些工作的主要贡献在于阐明了短期记忆（持续数分钟）是对神经元之间已存在的突触进行了化学修饰，从而强化了神经元之间的联系；而长期记忆（持续数天或数周）则涉及到蛋白质的合成，并且很可能形成了新的突触。

然而尝试把这些分子机制与全脑功能联系起来仍是一项重要的挑战。连接二者之间的一个潜在桥梁是一类被称为长时增强效应（LTP）的过程，这是一种已在啮齿动物的海马体切片中经过详细验证的效应：神经元突触刺激持久性增强作用（用高频脉冲刺激化学突触前端，与突出链接的后端细胞如果对刺激有响应，即发生了LTP诱导，那么停一段较长的时间后，继续进行高频脉冲刺激，会发现突触后端细胞群的响应增强，表现在细胞的兴奋性突触后电位获得增强和延长，这表明了突触刺激通道的记忆作用）。LTP被广泛认为可能是一种记忆的生理基础，如果有决定性证据表明LTP确实是活体大脑记忆形成的基础，那么这项工作将会是一个重大的突破。

图8 脑部神经元放电刺激和通道突触的变化（图片来自网络侵删）

与此同时，更多的问题还在不断地涌现。最近的研究发现当动物在学习一项新的任务时，视觉的神经活动模式会在其睡眠期间被重演。这种行为是否起到了记忆固化的作用？另外的一些研究工作表明我们的记忆其实并不像我们通常所认为的那样可靠，为什么记忆是如此的不稳定呢？一条线索可能来自于最近的研究，该工作获得一个颇有争议的观点：记忆在每一次被唤醒时都会被改变。最后，1990年的一项研究工作彻底推翻了神经元不能再生的教条，实验表明：海马体的所有部位实质上都是孕育神经元的温床，它终生都在不断产生新的神经细胞。至于这些新生的细胞在多大程度上支撑着大脑的学习和记忆，现在我们依然需要拭目以待。（文GREG MILLER）

参考文献：

[1] Scoville and Milner. Loss of Recent Memory After Bilateral Hippocampal Lesions. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry (1957) vol. 20 (11) pp. 11-21.