记忆中被遗忘的部分
作者: Lauren Gravitz / 292次阅读 时间: 2019年9月14日
来源: nature 标签: Nature 记忆 遗忘 nature
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记忆中被遗忘的部分
作者:Lauren Gravitz



长期以来,遗忘一直被看作是记忆出错。但是现在,研究人员开始意识到,遗忘对于大脑正常运作的重要性。

我们之所以成为我们,乃是因为我们的记忆。记忆塑造了我们对世界的认知,帮助我们预测将来会发生的事。一百多年来,研究人员一直在探索记忆是如何形成,如何在事后几天、几周甚至几年里巩固,以便我们回忆。可是,这些研究人员可能只看到了问题的一半。如果想要了解记忆形成的机制,我们就必须搞清楚人类是如何遗忘的,以及为什么会遗忘。

直到十年之前,大多数研究者还认为遗忘是一个被动的过程。没有使用的记忆就像阳光下的照片一样,逐渐暗淡褪色。后来,有些记忆研究者的发现却与这一存在了几十年的假设相悖。这些研究人员进而提出了一个大胆的想法:遗忘是大脑的预设功能。

过去十年里,越来越多的证据表明,记忆的丧失并不是被动的过程。恰恰相反,遗忘更像是一种主动的过程,我们的大脑在不停地遗忘。对一些动物(抑或是所有动物)来说,大脑的标准态并不是去记住,而是去遗忘。如果能对这种状态有更好的理解,或许就能找到焦虑症、创伤后应激障碍,甚至阿尔茨海默病的突破性疗法。

加拿大麦吉尔大学的认知心理学家 Oliver Hardt一直从事有关记忆的神经生物学研究,他说:“忘不掉的记忆算什么记忆?这是不可能的。为了让记忆功能正常运作,你的大脑就必须遗忘。”

遗忘的生物学 BIOLOGY OF FORGETTING

不同类型的记忆会以不同的方式、在不同的脑区生成并储存。目前,研究人员依然在努力攻克各种细节,但他们已经知道,在某一事件发生后的几小时到几天里,自传体记忆(对自身经历的记忆)会在一个名为海马的脑区里以持续的形式储存。神经元之间会通过突触交流,而突触就是神经元之间的连接,其中包括一个能让化学信使通过的狭小缝隙。每个神经元都以这种方式与其它数千个神经元连接。在名为突触可塑性的过程中,神经元会不停地生成新的蛋白,重塑部分突触,比如突触受体,让神经元可以选择性地增强相互之间的联系。在这个过程中会产生一个细胞网络,这些网络联合起来就能编码我们的记忆。记忆被唤起的次数越多,储存该记忆的神经元网络就越强。随着时间推移以及不断地回忆,记忆会编码在海马和脑皮层中。最终,记忆将独立存在于脑皮层中,并在那里长期保存。

神经科学家通常把记忆的这种物理表征称为“痕迹”(engram)。他们认为,每个印迹都有数个突触连接,这些突触连接可能分散在好几个不同的脑区,而每个神经元和突触都可以与多个痕迹相关。

不过,这离破解记忆如何形成以及被调用的过程还有相当长的距离。这个问题已经花费了记忆研究者大把的时间;相比之下,大脑如何遗忘的研究领域却罕有人至。剑桥大学认知神经学家Michael Anderson认为这是一种非常严重的忽视。他说:“任何有记忆的物种都会遗忘,无一例外。无论是多么简单的生物,只要它们能从经验中学习,它们就会把学到的经验忘得一干二净。从这个层面上说,神经生物学家对遗忘的后知后觉让我震惊不已。”

当Ron Davis 在2012年发现果蝇主动遗忘的证据时,这个问题并没有引起他足够的重视。Davis是美国斯克利普斯研究所的神经科学家,他当时研究的是记忆在果蝇蕈形体(昆虫大脑中储存嗅觉和其他感官记忆的致密神经元网络)中形成的复杂过程,尤其是与这些结构相连的多巴胺分泌神经元会产生哪些影响。多巴胺是一种神经递质,参与调控了果蝇大脑的多种行为。Davis认为,这一化学信使可能对记忆形成有一定作用。

有意思的是,Davis发现多巴胺其实是遗忘的必要元素[1]。他和同事让转基因果蝇对特定气味和电击形成条件反射,训练它们躲避这类气味。随后,他们激活了果蝇脑中的多巴胺能神经元,并观察到果蝇很快就忘记了上述条件反射;而阻断多巴胺能神经元却能保存记忆。Davis说:“这些神经元可以调节记忆的表达方式,”从根本上说,它们能够提供“遗忘”的信号。

在进一步的研究中,他们采用了一种能监测活体果蝇神经元活动的技术。他们发现,至少在果蝇体内,这些多巴胺能神经元可以保持长时间活跃。Davis说:“果蝇的大脑在不断忘记那些已经学到的信息。”

从果蝇到啮齿动物 FROM FLIES TO RODENTS

几年后,Hardt在大鼠身上也发现了类似的现象。当时他正在研究与长期记忆储存有关的神经元突触。研究人员已知,如果哺乳动物大脑的神经元连接增强,说明大脑正在编码记忆。而这种连接的强度由突触中一类特殊受体的数量决定。这类受体叫做AMPA受体。想要记忆完好无损,这些受体就必须被保留。但Hardt说:“问题在于,这些受体很不稳定,它们在突触上忽升忽灭,几个小时或几天就会换一波。”

Hardt的实验室还发现,有一类专门机制可以持续促进突触中AMPA受体的表达。可是,一些记忆依然会被遗忘。Hardt推断AMPA受体也可以被移除,这意味着遗忘是一种主动的过程。如果他的观点成立,那么阻止AMPA受体的移除,照理说就能阻止遗忘。于是,Hardt和同事阻断了大鼠海马中AMPA受体的去除机制,大鼠果然不会再忘记物体的方位[2]。为了遗忘某些事物,大鼠的大脑似乎要主动摧毁这一突触的连接。Hardt认为遗忘“并不是记忆功能的失效,反倒是记忆的一种功能。”



研究人员发现神经递质多巴胺对记忆十分重要。来源: Alfred Pasieka/SPL

加拿大多伦多病童医院的神经科学家Paul Frankland也发现了大脑会刻意遗忘的证据。Frankland当时正在研究成年小鼠的新神经元生成(即神经发生)。一直以来的观点是,只有年幼动物的大脑才有神经发生,直到约20年前,研究人员在成年动物的海马里也发现了神经发生的现象。由于海马会参与记忆形成,Frankland和他的团队猜测,增加成年小鼠大脑的神经发生是否能提高它们的记忆力?

在一项发表于2014年的研究中,研究人员得到的结果刚好相反:增加神经发生不仅没让小鼠的记忆变好,反而让小鼠的忘性更大了[3]。一开始Frankland认为这说不通,因为新的神经元应该意味着更多的(或者说更好的)记忆能力,但是他现在知道为什么了。“当神经元整合到成年海马体时,它们加入的是一个已经存在的环路。如果你有信息储存在这个环路里,重装这个环路会让信息变得难以获取。”

由于海马并不是大脑储存长期记忆的地方,因此它的动态性并非劣势,Frankland认为这是人类演化而来的一种帮助学习的特征。环境总是变动不居的,为了生存,动物必须适应新环境。而允许新的信息覆盖旧的信息能让动物更好地生存。

人类的本质 HUMAN NATURE

研究人员认为,人类大脑的工作模式也差不多。多伦多大学从事神经元连接和机器学习的研究者Blake Richards说:“我们之所以拥有汲取新经验的能力,部分原因在于我们的大脑能够执行可控的遗忘程序。”Richards认为,大脑的遗忘能力可以预防一种叫做“过度拟合”的现象。在人工智能领域,过度拟合指的是一个数学模型与编程数据的匹配度过于良好,以至于无法用来预测其他数据。

同样,如果一个人对某次事件的所有细节记得一清二楚,比如被狗攻击的整个过程(不仅记得哪件事惊吓到了狗,让它开始狂吠咬人,还能记得这只狗塌塌的耳朵,狗主人T恤的颜色,以及太阳照射的角度),这种情况下,他们很难对事件进行普适推广,以防再次被咬。Richards说:“如果你能删除旁枝末节,抓住事物的主旨,你就可以移用到新境况中。我们的大脑很有可能特意执行了可控遗忘,从而避免我们对自身经历的过度拟合。”

对那些自传体记忆超常或是自传体记忆受损人的研究似乎证实了这个理论。那些患有超级自传体记忆(HSAM = highly superior autobiographical memory)的人记得生活的点点滴滴,甚至可以告诉你他们哪天穿了哪件衣服。但是,虽然他们具有这种超能力,作为个体的他们并没有成就非凡,反而发展出了越来越严重的强迫倾向。加拿大Baycrest健康科学中心的认知神经科学家Brian Levine说:“无法从一些特定事件中抽身的人就是这样。”

与此相对,那些自传体记忆严重缺乏(SDAM = severely deficient autobiographical memory)的人则无法回忆起生活中的特定事件,导致他们无法对未来做出预判。根据Levine的经验,SDAM患者往往善于应付需要抽象思维的工作,许是因为他们不太受细节的困扰。他说:“我们认为,SDAM患者虽然过着没有情节记忆的人生,但却具有情节切换的能力。他们很善于解决问题。”

新的神经元(绿色)整合到海马体(红色带状)中会让原有记忆退化。来源: Jagroop Dhaliwal

Anderson对大脑中GABA水平的研究或许能揭示苯二氮卓类药物发生药效的机制。此外,对那些既没有HSAM,也没有SDAM的人的研究也显示出遗忘对于健康大脑的重要性。Anderson的团队正在深入研究人类主动遗忘的发生过程。他们采用功能磁共振成像以及磁共振波谱法研究海马中抑制性神经递质GABA(γ-氨基丁酸)的水平。通过对试图抑制某些想法的人类大脑进行扫描,研究人员发现,一个人的GABA水平越高,名为前额叶皮层的脑区对海马的抑制也越多,他们也就更容易遗忘[4]。Anderson说:“我们成功将遗忘与大脑中一个特定神经递质建立了联系。”

试着遗忘 TRYING TO FORGET

同时从生物学和认知心理学的角度审视人类如何遗忘,Anderson等研究者或许能够找到更好的治疗焦虑症、创伤后应激障碍,甚至是阿尔茨海默病的方法。

Anderson对大脑中GABA水平的研究或许能揭示苯二氮卓类药物发生药效的机制。苯二氮卓类药物是一种治疗焦虑的药物,从上世纪60年代开始上市,地西泮就属于此类。研究人员很早就发现,这类药物可以通过加强GABA受体的功能,起到减轻焦虑的作用,但他们并不知道其中的原理。现在,Anderson的研究结果可以对此做出解释:如果前额叶皮层命令海马抑制某种想法,除非海马有足够多的GABA,否则就无法响应前额叶皮层的命令。Anderson说:“前额叶皮层就像将军,可以发号施令,抑制海马的内部活动。但是如果没有士兵听命,那么下命令也是白搭。”

GABA在抑制不想要的思想方面起到了至关重要的作用,这种作用对恐怖症、精神分裂症和抑郁症具有一定的启示意义。这些病症的不同症状(如闪回,强迫性思想,抑郁反刍,无法控制思想)都和海马的过度活动有关。Anderson指出:“我们相信我们已经建立了一个关键的机制框架,可以把这些不同症状和疾病联系起来。”

他的研究或许还能对创伤后应激障碍的治疗助一臂之力。这种障碍是指一个人对某次创伤性事件的印象过于深刻。或许,创伤后应激障碍的根源是遗忘出了问题。如果能进一步理解怎样才能以伤害最小的方式遗忘创伤性记忆,或许就能治疗一些最棘手的病症。Anderson和同事研究了一些志愿者会如何抑制不愉快的记忆,他把这个过程叫做动机性遗忘。他们发现,创伤体验较深的人尤其善于抑制某些特定记忆[5]。如果能够找到这种能力背后的认知心理学根据,以及发展出这种能力所需的心理承受力,或许就能改良创伤后应激障碍的治疗方法。

Hardt认为,阿尔茨海默病或许可以理解为遗忘出错,而非记忆功能不佳。他说如果遗忘真的是记忆过程所固有的组成部分,并能得到良好控制,那么遗忘过程的失调就有可能产生不良的后果。他问道:“如果说这个病其实是遗忘过程过度活跃,不受控制,以至于把不该忘记的记忆也删除了呢?”

目前为止,这个问题还没有答案。但是,越来越多的记忆研究者在研究大脑记忆的同时,正把目光转向遗忘的机制。Anderson 说:“我们愈发认识到,遗忘是一个自成体系的过程,有别于记忆的编码、巩固和提取。”

在过去的10年里,研究者已经把遗忘看作是整体拼图的重要一部分。Hardt说:“我们为什么要有记忆?作为人类,我们总是幻想着拥有自传体记忆是如何重要。但是这种想法可能大错特错。记忆最根本的功能是帮助我们适应环境。它给了我们阅历,并不断更新这种阅历。”而遗忘,可以让我们作为个体和物种不断进步。

Anderson总结道:“演化在记忆和遗忘的优势之间取得了优雅的平衡。既兼具了永久性和韧性,同时也扫除了前进路上不必要的障碍。”

参考文献:

1.Berry, J. A., Cervantes-Sandoval, I., Nicholas, E. P. & Davis, R. L. Neuron74, 530–542 (2012).

2.Migues, P. V. et al. J. Neurosci.36, 3481–3494 (2016).

3.Akers, K. G. et al. Science344, 598–602 (2014).

4.Schmitz, T. W., Correia, M. M., Ferreira, C. S., Prescot, A. P. & Anderson, M. C. Nature Commun.8, 1311 (2017).

5.Hulbert, J. C. & Anderson, M. C. J. Exp. Psychol. Gen. 147, 1931–1949 (2018).

原文以 The forgotten part of memory为标题发布在2019年7月24日出版的《自然》增刊“自然展望-大脑”上。

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为何我们的大脑有这么多种神经元?»