为什么人会失去幼儿时期的记忆?

2017-12-08 东华君 知识分子 知识分子

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撰文 | 东华君

责编 | shin



  




记忆是什么?


记忆与学习是相互联系的两个过程。简单地说,学习(learning)是获取新知识或新技能的过程,而记忆(memory)则是对所获取信息的保存和读出的过程。学习和记忆一般被认为包括三个主要的阶段:




  • 编码(encoding)是对输入信息的处理与储存,主要分为获取和巩固两个阶段。获取(acquisition)是对感觉通路和感觉分析阶段的输入信息进行登记;巩固(consolidation)是生成一个随时间的推移而增强的表征。

  • 存储(storage)是对信息获取和巩固的结果,代表了信息的长久记录。

  • 提取(retrieval)是通过利用所储存的信息创建意识表征或执行习得的行为,如自动化动作。

1.1 记忆有哪些分类?

根据信息维持的时间长短,我们通常将记忆分为感觉记忆、短时记忆和长时记忆(图1)。

  • 感觉记忆(sensory memory)的维持时间以毫秒或秒计算。例如,我们可以记起某人刚刚所说的话,即使我们当时并没有刻意去听。

  • 短时记忆(short-term memory)是指那些能够维持几秒至几分钟的记忆。例如,我们拨打他人刚提供的电话号码时的记忆。

  • 长时记忆(long-term memory)是按照天或年来计量的。例如,你可能记得自己小学三年级开学的第一天在书桌内偷偷地刻了一个“早”字。

有关短时记忆和工作记忆的内容请见我的《学习与记忆》系列专题文章:我们大脑的“缓存”有多大?;工作记忆与短时记忆的区别;等等。

图1. 记忆的分类及与其相关的脑结构。彩色框代表记忆的类型,灰色框代表相关脑区。

感觉记忆和短时记忆因为保存的时长只有数秒种,所以,我们是绝对记不住儿时的这两种记忆的。好吧,一天前的短时记忆你也是记不住的,因为如果记住了,它就不是短时记忆啦!所以,我们需要讨论的其实就是长时记忆啦!

科学家们通常将长时记忆分成两个主要部分来反应所储存信息的不同特征(图1、2)。陈述性记忆(declarative memory)是我们可以通过有意识的过程而接触(或访问)的知识,包括有关个人和世界的知识。相对的,非陈述性记忆(nondeclarative memory)是那些我们无法通过有意识的过程而接触的知识,例如运动和认知技能,知觉启动以及由条件反射、习惯化和敏感化引发的简单的学习行为。

图2. 陈述性记忆与(部分)非陈述性记忆示意图。

陈述性记忆就是我们日常语境下的“记忆”,可以进一步细分为我们回忆自身生活的记忆(情景记忆)和与我们生活中发生的事件无关的但却是事实的有关世界的知识的记忆(语义记忆)。情景记忆是以时间和空间为坐标对个人亲身经历的、发生在一定时间和地点的事件(event)的记忆。例如,我早上在家喝了一杯牛奶。而语义记忆是指对各种有组织的事实(fact)的记忆,它所包含的信息不受接收信息的具体时间和空间的限制,是以意义为参照的,如北京是中国的首都,鲸鱼不是鱼等等。此外,情景记忆比语义记忆更易受到干扰,而且提取信息也较缓慢。

非陈述性记忆是在一个不需要有意回想先前经验,但先前经验又确是促进了行为表现的情况下表现出来的。图1显示的记忆分类中,非陈述性记忆又可进一步分为四种类型。第一类被称为程序性记忆(procedural memory)。日常生活中,我们不断学习一些技巧,形成一些固定的行为习惯。例如,我们学习弹钢琴、骑自行车和系鞋带等等。这些关于技巧或习惯的记忆就是程序性记忆。第二类为启动效应或初始化效应(priming)。如果你在某一场合无意识地看见或听见过某一刺激,当这一刺激再次出现的时候,你辨认出它的速度会显著地更快。第三类为联合型学习(经典条件反射和操作式条件反射)所形成的记忆。第四类是由非联合型学习(习惯化和敏感化)所形成的记忆。

1.2 记忆都储存在哪里?

既然大家都叫记忆,那我们为什么要将它们分成不同类型呢?原因很简单,因为它们在编码、存储和提取这些记忆的基础定义上涉及不同的神经机制。而关于这方面的内容,正是当前神经科学界研究的热点,很多细节还不得而知。

这里只粗略的介绍与本问题比较密切的一点:不同类型的记忆储存在脑的不同位置(图3)。

图3. 不同类型记忆所涉及的主要脑区分布。

本人所研究的工作记忆便被学术主流认为是由前额叶皮层形成和维持(部分学术前沿的争议:2017年认知神经科学年会:工作记忆研究前沿)。陈述性记忆主要是在海马产生之后在分散存储于内侧颞叶等大脑皮层以及它们之间形成的神经网络中。日常生活中弹钢琴、骑自行车和系鞋带等程序性记忆则被认为储存在纹状体、运动皮层、小脑以及它们之间形成的神经网络中。联合型学习被认为主要储存于小脑、杏仁核和海马。习惯化和敏感化所形成的记忆,则被认为存储在于反射回路中。

1.3 记忆是如何被储存的?

好了,我们已经知道了不同类型的记忆会被存储在大脑的不同区域。那么,这些记忆到底是以怎样的形式被存储的呢?

目前学术界的主流观点认为:记忆存储在神经元与神经元之间的连接中。

图4. Hebb细胞集合和记忆存储。

这其实就是大名鼎鼎的Hebb细胞集合理论了(图4)!Hebb认为,脑内反应某外界客观物体时,是由被该外界刺激(图4a)激活的所有皮层细胞组成的。这群同时激活的神经元被成为一个细胞集合(cell assembly, 图4b)。他设想这群神经元是相互连接的。只要集合内的链接持续激活,对外界客观物体的内部反映就能够作为短时程记忆始终保存(图4d)。如果该细胞集合的激活持续足够长的时间的话,记忆的巩固就可能通过一种“生长过程”(growth process)而发生,该过程是的细胞间的相互连接更加有效("Cells that fire together wire together", 图4e、f)。因此,若一个刺激再激活集合内的一部分细胞(图4g),强有力的相互连接就会使得整个集合再次兴奋(图4h),再现外界刺激诱发的整个内部反映,从而形成一个循环(图4i)。

我经常会使用健力宝的例子来介绍这个理论:虽然我们已经很多年没有喝过也没有想起过健力宝了,但一旦看到那个掷铁饼的图画我们脑海里就会立马想起那个经典的易拉罐!

Hebb的重要结论是:

1、记忆痕迹广泛分布于细胞集合的突触连接内;

2、集合内的一部分细胞死亡不会消除记忆。




人脑发育的基本规律




说完记忆的基本特征,我们来说说大脑发育的基本规律。




2.1 我们脑内的神经元一直在减少

人类在出生之后,大脑依然会继续发育的。但是由于大部分神经细胞没有增殖能力,会不断衰老死亡(想知道有哪些特例,请看:为什么哺乳动物在出生后,其神经细胞不可再生?)。所以,我们脑中的神经元是会一直减少的。

图5. 成年后,我们脑内的神经元会一直减少,进而导致大脑的体积也会减小。

人神经细胞的数量在刚出生的时候最多,随着年龄的增长而逐渐减少。并且,神经细胞的减少速度比大家想象的要快得多,每天都会数以万记的神经元死亡。就这样,人从出生到70
岁的时候,脑内神经元会减少30~50%左右。对应的,成年之后,我们的大脑体积一直会变小。正常而言,等我们到七八十岁的时候,大脑体积会萎缩15%左右(图5)。

2.2 突触遵循“用进废退”的原则

我们知道,大脑的基本结构单元是神经元,神经元之间组成环路,环路再结合成系统。虽然神经元是大脑最基本的结构单元,但是真正发挥作用时,单凭一些神经元单打独斗可不行。为了执行特定的功能,神经元必须要相互连接,组成功能环路。连接不同神经元的便是我们常说的突触(synapse)。与神经元数量会持续减少不同的是,突触的数量会在出生后经历先增加后减少的变化趋势。并且,突触不会像神经元那样不可再生,新的学习和记忆的过程都会产生新的突触。

事实上,我们的大脑从出生后会经历了好几个发育高峰期。第一个高峰期在出生后的18个月里。这个时期,脑内的突触会过量产生,随后又会被大量修剪掉(图6)。好奇怪,大脑为什么要这么做,这是瞎折腾么?当然不是!这很可能是大脑对婴儿期巨大的学习需求和出生时过小的“出口”这两个矛盾之间的平衡选择。因为出生时大脑容量的限制,大脑便会在出生后的短时间内产生过量的神经连接以保证新生儿能毫无保留地学习最急需的技能,之后在经验积累的过程中自然选择和淘汰不太重要的信息。

图6. 出生后,神经元数量会缓慢减少。神经元之间的连接(突触,synapse)的数量会急剧增加,然后也会缓慢减少。

具体来说,婴儿出生时脑中大约有一千亿个神经元。但是只有17%的神经元是相互连接的。在接下来的数年间,这些神经元之间的连接会急剧且过量地增加,形成一个巨大的神经网络。3岁左右时,我们大脑内的神经连接达到顶峰,大约是成人的两倍。虽然这样非常有利于学习,能够存储巨大的信息,但却是一个非常耗能的过程。于是为了达到能量平衡,大脑便会开始清除部分冗余的连接,这就是我们所说的“突触剪切”(synaptic pruning)。这个过程牢牢遵循“用它,或者失去它”(use it or lose it)的原则。经常使用的神经连接(被增强的突触连接,图4f)会被保留下来,不经常使用的神经连接(弱化的突触连接)则在修剪过程中失去。虽然突触数量变少了,但是有效的链接变多了,也更加紧密了,整个大脑系统变得更准确而有效。

我们一直说大脑的发育有两大基本基本原则:"Cells that fire together wire together"和“use it or loose it”。前面一个说的是突触的形成原则,后面一个说的就是突触的修剪原则。

图7. 人类脑中突触数量变化的大致趋势。三种颜色的线分别表示与感觉、语言和高级认知功能相关的突触数量的变化趋势。灰色方框表示的是我们常说的“关键期”。

值得注意的是,负责不同功能的神经连接的发育成熟的时间是不同的(图7)。大致而言,负责感觉与运动功能这些最基本的脑功能的神经元连接会优先发育。所以小宝宝们一出生就会对这个世界很好奇,用他们的小眼睛、小小手不断地探索这个世界,甚至见到啥都拿到嘴里去舔一舔。紧接着,与语言相关的神经连接会急剧增加。所以,一般小宝宝们在会走路之后才开始牙牙学语。当然,一旦会说了,也是会叽叽咂咂说个不停的。而,与认知功能相关的神经链接则发育的要相对晚一些。特别是负责高级认知功能的前额叶皮层,一直到25岁左右才完全成熟。因此,这一时期的孩子对世界的理解主要局限在他们的直接经验上,包括他们能看到、听到、触摸到和学习到的事物上。

特别值得一提的是,大部分神经连接形成于一个相对比较窄的时间窗内,即我们常说的“关键期”。这一点我们可以很容易地在图7中看到。在这期间,倘若父母帮助孩子接触良好的环境和教育,就能够促进神经连接的形成和完善。反正,在这期间倘若幼儿不能接触丰富多彩的环境刺激的话,会对今后形成各项正常的感觉、运动、语言和认知功能都会有巨大的负面影响。





为什么我们会失去婴儿时期的记忆?


做了这么长的铺垫,我们开始正式正面回答这个问题!




根据第一部分的介绍,我们明白了与记忆相关的几个事实:

  1. 记忆存在不同的类型,它们的形成、存储和提取涉及不同的神经机制。

  2. 不同的记忆存储于不同的位置。

  3. 记忆存储于神经元与神经元之间的连接内,神经元与神经元通过突触相互连接。

根据第二部分的介绍,我们明白了大脑发育的几个事实:

  1. 脑内神经元在我们出生后就一直在缓慢的衰亡。

  2. 沟通神经元的突触存在先急剧增加、修剪,而后不断更新的过程。

根据以上的内容,我们按着类别来看看,我们是否会失去婴儿时期的记忆,失去的又是哪些记忆。

3.1 第一类:绝对已经被遗忘了的记忆,这辈子就别想记起了

你明明记得你一周前有看到同桌吃饭的女生戴着一个蝴蝶结,可是你现在无论如何都无法想起那个蝴蝶结的颜色。为什么?因为当时你的确看到了,也确实记住了,只不过,关于那个蝴蝶结的记忆可能只在你的脑海里存在了0.1秒钟。这就是感觉记忆,只在脑海里闪现一下,便如烟花般消散。

当然,你现在同样也想不起她的名字了。你清晰地记得她的名字在你的脑海里回荡了不止1秒钟。可是由于她的名字里有两个你不认识的生僻字,光凭读音,你那肤浅地大脑根本记不住。并且,随后你的注意力便完全被新端上的东坡肉给吸引了。糟糕,你现在无论如何也别想回忆她的名字了,因为她名字在你的脑海里真的只回荡了几秒钟。这便是短时/工作记忆,一旦没有转化成长期记忆,便会如蝴蝶一般翩翩离去。

对于婴儿时期,甚至是5分钟前的感觉记忆和短时记忆那都是绝对会丢失的,它们在大脑中保存的时长一般只有数秒种。并且,如果被记住了,那就会变成长时记忆了!

当然,婴儿期的长时记忆,特别是陈述性记忆,很大一部分也是会永远消失在我们脑海的。这辈子就甭想回忆起来了。这类记忆的丢失对于两类人特别明显。一类是从出生到突触大修剪期间的某些记忆,即我们常说的婴儿时期的记忆。因为4~10岁期间的突触大裁员计划已经将之前形成的大部分突触都给剪断了,而我们婴儿时的记忆便是通过突触存储在神经元与神经元的连接内的。皮之不存,毛将焉附?这一部分记忆已经永远离我们而去了,咱这辈子就别指望还能回忆起啦。

另一类就是阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)患者。他们的大脑因为病症的原因,丢失了大量的神经元(图8)。之前丢失的是神经网络的各个节点(神经元)间的联系(突触),这种情况下丢失的直接是各个节点(神经元),甚至是整个细胞集合。当然,记忆丢失的现象就更为明显了。

图8. 与正常人的大脑(左)相比,阿尔茨海默病患者的大脑(右)发生大面积的萎缩(包括了神经元的衰亡),特别是与记忆和语言相关的脑区。这导致了患者会伴随严重的记忆丢失和语言能力下降。

3.2 第二类:一直都存在的,需要比较苛刻的条件才能唤醒的记忆

虽然儿时的突触大修剪剪掉了我们婴儿时期形成的大部分神经连接,但并不是所有。一些神经连接还是顽强的存活了下来。特别是编码那些与强烈情感相关的神经连接。比如两岁的时候,你偷喝家里的健力宝(好吧,再次免费为国产品牌打个广告)被妈妈狠狠的抽了一顿,随后你展开了逃跑行动,可是一跑出房门就摔了个狗吃屎,然后,你静静地趴在地上伤心地哭了很久很久。所以,现在只要一看到健力宝,你就会想起那天发生的事情。但是你喝别的饮料的话,倒是不一定能想起。

为什么会这样?因为,由于记忆是存储在细胞集合中的,集合内的一部分细胞的死亡和神经连接的断裂不一定会消除记忆,特别是对那些经过强化了的神经连接(图4f)。所以,还有一部分的记忆会微弱的存在于我们的大脑的阴暗的角落中,这样的记忆很可能通过与之前记忆的事物相关的刺激就能重新激活啦(图4)!

3.3 第三类:一直都存在的,很容易就能唤醒的“记忆”

对于婴儿期的非陈述性记忆,特别是程序性记忆,很大一部分是会默默地蹲在我们的脑子里的。但是由于那些记忆是我们无法通过有意识的过程而接触的,即不能浮现于意识层面的记忆。所以,它即便一直都在我们也不能意识到。这类记忆是很容易被唤醒的:十几年没再骑过自行车的人,不需要你介绍任何骑车技巧,只要一车在手立马就能蹬的飞起。

这些不同向我们展示了,陈述性记忆和非陈述性记忆之间存在的一个非常明显的区别:陈述性记忆容易形成也容易忘记,而非陈述性记忆通常需要多次的重复和练成,但一旦形成则不容易忘记。为什么会这样呢?这是当今神经科学界还在攻克的难题,我是给不了答案的。目前我们知道的是,这绝对和陈述性记忆与非陈述性记忆的形成、存储和提取所涉及不同的神经机制有关,但这些差别的细节是怎样?我们能否人为的操纵不同类型记忆的形成、存储和提取呢?这些有意思的问题恐怕还得有劳科学家们孜孜不倦地去探索呢。



参考书目:

1. 寿天德 (2006).神经生物学.高等教育出版社.

2. Abitz, M., et al., Excess of neurons in the human newborn mediodorsal thalamus compared with that of the adult. Cereb Cortex, 2007. 17(11): p. 2573-8.

3. Bear, M.F., B.W. Connors, and M.A. Paradiso, Neurosciences: exploring the
brain. 2016: Wolters Kluwer.

4. Gazzaniga, M.S., R. Ivry, and G. Mangun, Cognitive Neuroscience, New York:
W. W. 2002, Norton & Company.


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