真实突触和虚假记忆

在那部让人难以忘怀的电影《美丽心灵的永恒阳光》（Eternal Sunshine of the Spotless Mind）中，法国导演米歇尔·贡德里（Michel Gondry）想象出了一家公司，其业务为专门选择性地清除人们脑中的记忆。难道清除那些毒害我们生活的记忆不是一件有用的事吗？例如，清除那些给战后退伍军人造成创伤后压力的记忆。或者相反，我们能在错觉的画布上描绘虚假的记忆来愉悦自己吗？

根据神经科学家目前对记忆回路的掌握，我们离米歇尔·贡德里的设想不远了。另一个诺贝尔奖得主利根川进教授的团队已经对小鼠进行了以下两种操作。他首先将小鼠放在一个房间里并给予少量电刺激。这只小鼠便会避开那个让它不舒服的事件发生的房间。这说明这个情景印刻在了小鼠的记忆中。的确，利根川进的同事使用一台精细的双光子显微镜将之视觉化，追踪到了哪些神经元在每个事件发生时是活跃的。他们发现，在小鼠海马内，不同神经元组在小鼠进入房间A，即那个与电击有关的房间时被激活；而在房间B中，神经元什么变化都没有。

随后，研究者测试了是否可以操控情景记忆。当小鼠身在房间A时，他们再次对其进行少量电击，但是这次研究者人工激活了那些编码房间B情景的神经元组群。这个人工操控是有效的，当小鼠之后回到房间B时，它因为恐惧变得紧张僵硬。那些不好的记忆被与之前什么都没发生的房间B相关联。13这说明，重启一组重要神经元就足以唤醒一点记忆并将其与新信息关联。

利根川进的团队随后将不好的记忆变成了美好的。创伤回忆能被清除吗？能。当小鼠被放在具有几个异性的房间里，即一个确保会产生美好瞬间的房间时，通过重启同样的房间B神经元，研究者成功地清除了房间B与电击间的联系。这只小鼠不仅没有避开房间B，甚至开始热情地探索房间B，好像在搜寻记忆中那些风情万种的对象。14

另一组研究者采用了一个稍有不同的策略，他们重新唤起了原先不好记忆的神经元，同时弱化将它们相连的突触。同样，在接下来的几天中，小鼠不再显示出对之前创伤的任何记忆。15

在同一个研究方向上，法国研究者卡里姆·本切纳内（Karim Benchenane）成功地将新记忆植入睡眠中的小鼠脑中。16当一只动物睡着时，海马中的神经元会自然地重启前一天的记忆，特别是那些关于它去过的地方（我们会在第10章中进一步探讨这个问题的细节）。利用这个事实，本切纳内等待睡着的小鼠的脑重启那些与笼子里具体地方相关联的神经元，然后给小鼠注射了少量多巴胺，即与愉悦相关的神经递质。当老鼠醒来后，它以最快的速度疾驰向那个地方！那本是记忆中普通的地点，一夜之间却变成了记忆中的特殊位置，就像让我们坠入爱河的普罗旺斯那样具有甜蜜的吸引力。

对人类近亲动物的实验也着手于模仿教学对人脑的影响。当猴子学习字母、数字或使用工具时会发生什么？17日本研究者入来笃史展示了猴子学习如何使用耙子来获取远处的食物的试验。在几千次测试以后，猴子变得像赌场里的发牌人一样快速，它只需要动一动手腕，就能在零点几秒内迅速获得一片食物。猴子甚至还发现了如何使用一个中等大小的耙子来将另一个更大的耙子拉向自己，以够到被放在更远处的食物！这类工具使用促使人脑产生一系列变化。大脑皮层中一个特定区域，即前顶叶区域的能量消耗升高了，这是人们用来控制手部活动、书写、抓取物体、使用锤子或钳子的区域。新基因被表达、突触形成、树突和轴突树的数量翻倍，所有这些增加的联系使这只猴子“专家”的皮层厚度增加了23%。神经元的整体联结也发生了巨大变化。从较远区域来的轴突在与颞叶皮层交汇的地方增长了几毫米，并入侵了之前与这些神经元没有关联的前顶叶的一个部分。

这些例子展示了脑的可塑性作用在时空中扩展的程度。让我们一起来回顾几个要点。一组编码我们想要记忆的事件或概念的神经元会在脑中被激活。这一记忆是如何被储存的呢？首先是突触，即两个神经元接触的细微点。联接强度会在这两个神经元相连并在短时间内前后被激活时增强，这就是著名的赫布定律——共放电神经元相连。一个变强的突触就像生产力提高的工厂，它会召集更多神经递质到达突触前区域，召集更多感受器分子到突触后区域。突触的大小也会改变以支持这些变化。

随着学习，神经元的形状也会变化。一个像蘑菇一样的结构，被称为“树突棘”，会在位于树突上突触发生的地方形成。如果有必要，第一个突触会被复制，产生第二个突触。同一个神经元上的其他突触也会被加强。18

因此，当学习时间加长，脑的结构就会改变。随着近年来显微镜学的发展，特别是基于激光和量子物理而发明的双光子显微镜所带来的革新，突触终扣和轴突终扣现在可以在每个学习情境中被直接地观测到，它们就像一棵春日里的树一样。聚集起来的树突和轴突变化可以是巨大的，能以毫米为单位，还能通过磁共振成像观察到它们在人类身上的变化。学习乐器19、阅读20、抛掷球21，甚至在大城市里开出租车22，都会导致皮层增厚以及皮层区域间联结的增强，并被检测到。脑回路会随着我们对它的使用而变得更通畅。

突触是学习的缩影，但不是人脑中唯一发生改变的机制。当我们学习时，新突触的形成迫使神经元也在轴突和树突上长出新的分支。轴突会为自己裹上一层绝缘体——髓鞘，就像包裹电线的绝缘胶带一样，确保电流通过时不会短路。轴突被使用得越多生成的髓鞘也会越多，从而使绝缘效果更佳，传递信息的速率就会更快。

神经元不是学习这场游戏中唯一的细胞“玩家”。随着学习的不断推进，细胞的整个环境也会发生变化，包括周围供给和治愈神经元的胶质细胞，甚至还有为神经元提供氧气、葡萄糖及营养的血管和动脉网络。在这个阶段，整个神经回路及其支持结构都发生了改变。

一些研究者挑战了“突触是所有学习的必须因素”这一教条。最近的数据显示，小脑中的一种特别的神经元浦肯野细胞会记住间隔时长，而突触在这个学习过程中没有起任何作用。这个机制似乎完全是浦肯野细胞内部发生的。23记录时间的维度是小脑的专长，这一专长很有可能是通过其他的进化技能来储存的，而非突触。每一个独立的小脑神经元似乎都能储存好几个不同的时间间隔，也许是通过其自身DNA的稳定的化学变化来实现的。

另一项前沿研究致力于探究学习引起的改变，无论是突触改变还是其他的改变，如何在“思想的语言”和已有概念快速重组的基础上，实施人脑所能企及的最精细的学习方式。正如我们所见，传统人工神经网络模式为上百万个突触改变如何使我们能够学习识别数量、物体或面孔，提供了一个还算令人满意的解释。然而，真正令人满意的针对神经网络中的突触改变如何支持语言习得和数理规则的解释还没有。从突触领域来理解我们在数学课堂中学到的符号规则如今仍然充满挑战。让我们保持开放的心态吧，因为我们离完全理解人脑储存记忆的所有生物编码还很遥远。