编者按:意识和记忆是现代科技发展中最具挑战性的研究课题,也吸引了无数才智之士去探索。本文作者是宁波大学钟振余老师,脑科学研究专家,亿科创新智库研究员,多年来致力于这个领域的拓展,已经发表了一系列系统性的原创文章,对脑科学的研究与发展形成了自己独到的体系!本文是钟老师的新作,欢迎大家与钟老师交流讨论!
大脑记忆按事件方式储存已获得脑科学界许多研究者的认同。大脑认知的核心不是计算而是记忆。记忆并非是简单的存储,而是以突触关联构建起一个神经局域网络。在这个局域网络中,记忆事件被不同程度地附加上了生命个体自身的属性标记—肌体组织自身的神经活动信息。正是这一属性标记让不同生命个体对待相同的事件,形成各自的处置方式。如果小孩启蒙教育时被误导为3+4=8,之后,孩子绝不会说出3+4=7的答案,这就是记忆神经元发送的电波信息在感知神经中形成的表征方式。
一、每一个记忆事件都附加着生命个体的一种属性
所谓记忆属性,指同一个外部事件在不同个体之间形成各自的感知体验,这种由记忆提供的差异性感知体验可定义为记忆属性。
比如,不同的人对蛇的感知反应就是记忆属性的最好例子。农村长大的孩子,大部分人都怕蛇,城市长大的则很少怕蛇,甚至将蛇当宠物侍养。前者,从小成长环境需要防范自然界毒蛇的攻击。每当与蛇相遇时都在周边成人的恐吓声中储存为记忆信息,长大之后,凡是见到蛇都会产生恐惧的感知体验。恐惧的记忆属性被永久地附加在“蛇”这一记忆属性中。
生活在城市的孩子很少与蛇正面接近的机会,即使在动物园中看到蛇也是在轻松的环境中储存为记忆,如果此时大人说,虽然毒蛇咬人很危险,但蛇在自然界能捕捉老鼠、减少鼠害,有利于生态平衡。与恐吓不不同,孩子的记忆储存中或许对蛇多了一点好感。
如果用A代表“蛇”的神经储存信息,B和C分别代表肌体全身神经紧张或放松的储存信息。对蛇恐惧者,记忆信息构成是A+B的组合;对蛇喜好者,记忆信息构成是A+C的组合。决定肌体神经紧张或放松的B或C的记忆信息就是蛇这一记忆事件的个体属性。
人们在认识外部世界时,同时处于活动的各类记忆神经元将会通过神经元末梢联结成为一个记忆事件网络,其联结点被称为“突触”。随着生活经历的积累,人们对同一外部事件的认知会不断地加深。
在认识了蛇之后,慢慢了解了蛇有许多品种、蛇的生活习性、蛇的生长史等等。在记忆信息储存架构上,“蛇”记忆神经元向外延伸形成的“突触”关联也越来越多。蛇记忆事件的神经网络也随之扩大。
一旦“蛇”的记忆神经元受到触发,由突触关联形成的神经局域网络就会将所有的储存信息向外发送。于是,感知神经系统接收到信息之后形成了对蛇的认知加深。其中附带恐惧或喜悦属性的记忆信息将分别使运动神经收缩或放松。记忆信息发送的信号越强,恐惧或喜悦表现的程度就越强烈。
二、端脑运动区储存了肌体组织活动的所有记忆信息
我们大部分人对手指的灵活性强于脚指的灵活性已习以为常。如果对一个成长中的小孩实行有违常规的训练,则完全可以让脚指的灵活性强于手指。同样道理,从小习惯于训练右手者,长大后就是右利手,反之就是左利手。
四肢及肌体各部位组织的活动能力和灵活性并非先天具备,而是在成长的过程中,活动越频繁的部位,灵活性越好。肌体任何组织的活动信息都会被送到端脑运动区相应的神经元中予以储存。活动得越频繁的肌体部位,端脑对应区域用来储存记忆信息的神经元数量也越多,反之亦然。这是端脑记忆储存与肌体神经活动互为推动而逐步提高的循环过程。即,肌体组织活动-->活动信息发送到端脑储存-->记忆发送信息驱动肌体组织活动。
无论是各类竞技运动的训练,还是日常生存所需的动手锻炼,所有过程都是为了将活动部位的运动神经信息储存到端脑的运动区。
早在上世纪四、五十年代,加拿大神经学家潘菲尔德(W. Penfield)通过大量的脑外科临床观察研究,画出了脑区活动信息储存图,称为脑区“小人图”。“小人图”中手的占位空间远大于脚的空间。荷兰脑科学院院长、著名的脑科学专家斯瓦伯(Dick Swaab)认为小提演奏家左手的“小人图”空间远大于右手。
北京武警总医院神经干细胞移植科通过神经干细胞的移植治疗小儿脑瘫,让端脑缺失的神经元重新生长,肢体的活动信息与记忆储存获得重建。所有这些研究结果均指向同一事实:记忆发放的信息是大脑另一部分神经活动或肌体神经活动的源头。
三、记忆的稳定性由突触的关联方式决定
望梅止渴既是一个著名的典故成语,更是大脑记忆关联的很好案例。吃过青梅的人,只要想到甘酸的青梅,口腔之中很快就会分泌出大量的口水。这是青梅记忆事件与口腔唾液分泌神经记忆信息关联所起的作用。日常生活中所有经历的事件,其记忆储存时均关联着其他的相关信息,只是关联的程度不同而已。
严格意义上说,突触关联的联结点不是永恒的,因为突触的可塑性决定了记忆事件具有“保质期”。突触类似于生活中使用的百事贴,随着时间流逝百事贴的粘结性会逐渐变弱,最后松脱失效。记忆事件也是随着时间流逝慢慢变得模糊不清。大部分时候,如果要使“保持期”延长就必须使突触关联形成的记忆事件反复地活动。学习、训练等记忆强化活动通常需要不断多次重复同一神经活动流程,目的就是让突触的关联变得更加牢固。从小学会的某些日常事情因为重复的次数太多,以至于突触关联已转变为永恒连接。
汽车驾驶者从初学到熟练操作也是这样的一个记忆事件储存过程。初期开车,路况处理的记忆信息网络很少,难有现成的指令可发,操控汽开车很累。老驾驶员的熟练动作源处于记忆信息中有大量神经元关联构建的信息局域网。这是突触缓慢强化构建起来的记忆事件。当然,极少数时候,记忆储存的突触关联一旦形成,永远难以松脱。婴幼儿时期的恐吓事件会造成突触永恒连接。凡是被恐吓过的事件,孩子长大后终身抗拒。
以此类推:突触关联的可塑性强弱程度在个体的生命周期中,少年、青年、中年和老年各阶段,脑内生化活性是递减的,新事件的记忆储存能力也是逐渐衰退的。突触关联的可塑性决定了记忆事件形成的稳定性。
因此,年轻时记忆力极好,老年后新的事件总是记不住,老生常谈的记忆事件却非常稳固。话语间总是老套套、再无新鲜的东西。在个体之间,因为DNA遗传质量的差异,某些人群的大脑中神经递质或生化活动的效率极高,而另外一些人群的效率极差,于是就出现了人与人之间记忆能力的极大差异。
四、记忆信息的基本单元储存起始于婴幼儿时期
中国古人对个体的成长规律早有总结:3岁看到大,7岁看到老。这些朴素的规律总结虽然缺少严格的科学实证支撑,却有许多现实的案例可以佐证。比如猪孩、狼孩回归人类之后,再也学不会人类语言中的最简单的语句。先天耳聋患者,如果不要错过早期发音模仿教育,虽然先天耳聋,但后天也能学会说话。
初生婴儿,神经元的初态可认为是信息空白。随着成长中接触到的外部信息增多,神经元被逐步利用,每个神经元根据树突和轴突的潜在结构特点,分别储存不同类型的信息单元—即外部事件转化后的短信息。
此处所指的信息单元,既是单个神经元的信息储存组织,也是一组电波信号的信息组合。神经元表面大量树突对应着外部事件转化后的电波信号频率组合。这是记忆信息的储存基础。记忆储存过程相当于建造一幢房子,预先需要制造大量不同规格的砖块、零配件等预制件。当预制件的种类和数量足够多的时候,任何设计图纸要求的外形或结构,粘结剂都能将其组合起来。
对照现实情况,婴幼儿倾听大人说话一个阶段后,突然某一天开口,在很短的一个时间段内就可流利地说出大人的标准语言。因为此前大量的短语、词组早已储存在神经元单元中,说出完整的语句仅是突触关联功能所起的作用。
视信息的储存也是如此,婴幼儿只对简单的动画片感兴趣,对大人的电视节目视而不见。原因有三:首先,婴幼儿的记忆储存中缺少视图信息单元,大人视频节目中大部分视图信息在婴幼儿脑内找不到对应信息单元的神经元;其次,记忆储存是神经元活动的可塑性生化过程,不仅消耗大脑内的能量,储存了信息的神经元,其原有的平衡状态被打破后,新的平衡建立还需要有一个稳定的过程;第三,婴幼儿稚嫩的神经元虽然具备可塑的最佳状态和时期,但对于大人视频每秒24祯的放映速度根本无法接受,故动画片以每秒10祯上下的速度契合了神经元树突的可塑要求。
现代技术条件下的功能性磁共振成像(fMRI)扫描显示,大量认知实验反映的脑区活动并非局限于大脑单一功能区,而是横跨不同脑区和大范围的神经活动。这既反映出记忆储存单元组合构建的记忆事件要求,也说明突触关联横跨脑联结的记忆事件的属性要求。
五、大脑认知的核心是记忆的关联
大部分时候,视、闻、嗅、味、触五类外部信息中至少二类以上信号同时进入大脑。不同类型的外部信息在颅内被各自的神经核分别转换成电波信号。不同频率的电波信号,在端脑各自的记忆区域形成神经元谐振活动。
虽然各类信号之间互不干扰,但是,同一时刻共同参与活动的神经元很容易形成关联的局域网络。这一局域网就是意识当下的记忆事件。之后,只要局域网中任何部分受到触发,记忆事件总是整体性向外发放电波信息。于是,就有了我们“一朝被蛇咬千年怕井绳”、“望梅生津”、“不吃葡萄就不知道葡萄的酸”等种种认知联想。
记忆关联的这种机制还可借用当下热门的“微信群”进行类比。大脑中的大量记忆事件类同于无限多的微信群。一个群就是一个记忆事件。一个群员发言,就是整个群对外发送信号。各个群员虽然职业爱好各不相同,但关联在一起就是一个整体。端脑左右半球各记忆功能区之间的信息关联是通过胼胝体的连接完成的,胼胝体相当于远距离光缆。神经元树突或轴突末梢的可塑性生长物是局域网关联的最后一段接线口。接触点被授予专用名称—突触。在神经解剖学中,科学家发现一个神经元最多可被几千个或上万个突触关联。正如微信群中任何一个群员都可能加入了其他许多不同的群。只是他的角色不同而已。
记忆事件构建的神经回路是一个极为复杂的信息储存局域网。但是,这一局域网络具有良好的活动秩序并遵循两个活动原则。其一,端脑记忆神经元的初态具有相对静止属性,没有外部类同信息的扰动,就不会有记忆神经元信息的随意发放。其二,记忆神经元具有自适应平衡特性。记忆神经元一旦受到外部信息扰动,突触和树突的可塑性将神经元原有的平衡状态改变。或突触关联加强(学习中的复习功能)、或局域网的范围扩大(认知加深)等。
新的记忆事件局域网需要自适应平衡调整。调整就会有神经元的活动,就会局域网的信息发放。因此,越是近期经历的事件,越容易获得回忆,而久远的记忆事件相对比较难以回忆。
生命的智慧源自于大脑的认知。认知的基础是记忆的储存关联。生活经历越是丰富多彩,储存的记忆事件越容易相互关联沟通。此外,记忆信息储存是一种电波的频率组合,而非现实世界中的具体形象物。
因此,不同学科的类同知识体系很容易触发原有记忆事件发放电波,所谓的触类旁通、学科交叉、引古博今也就自然形成。创新或发现就在这些记忆事件的细微内容中产生。
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