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記憶從海馬迴轉換到前額葉皮質要3年!我們是如何形成記憶,記憶產生後又儲存到哪裡?

2022-02-07 12:27奇光出版 作者/薇洛妮卡‧歐金

要形成記憶,即便只是短期記憶,其關鍵程序是細胞一起激發的時間必須夠長夠久才能連在...
要形成記憶,即便只是短期記憶,其關鍵程序是細胞一起激發的時間必須夠長夠久才能連在一起。磁振造影的大腦示意圖。 圖/ingimage

一起激發的細胞連在一起

海馬迴的神經元如何產生記憶是大量文獻的研究題材,也是記憶研究中最核心的關鍵問題。記憶的神經科學奠定在唐納德.赫布(Donald Hebb,1904-85)開天闢地的研究基業上,他為世界提供了一句響亮標語,總結記憶神經的生理過程:「一起激發的細胞接在一起」(cells that fire together wire together)。赫布是加拿大心理學家,他和彭菲爾德極具創意的研究團隊一起工作,彭菲爾德就是畫出「體感小人」的那一位。一九四九年,赫布把自己的理論寫成《行為的組織》(The Organization ofBehavior)一書,描述神經元如何產生記憶以及這些記憶如何持續幫助組織大腦功能。他假設一束一束正處於激發狀態的神經元會相接,變成連在一起的「細胞集群」(cellassembly)。細胞因神經信號的電子化學能量激發而形成樹突(dendrites),樹突和樹突連在一起,讓細胞連接成一組依序激發的信號單位。此後,如果這個集結起來的細胞集群若有任何神經元受到刺激,所有神經元都會被激發。這個細胞集群代表一個記憶。簡言之,作為信號單位的細胞集群依序激發而構成的神經編碼,就代表一個記憶。

赫布假設,細胞集群內相連的神經元會藉著神經元間樹突的物理性生長而固化,如此就能創造較長久的記憶,沒有被固化的也有可能消失。赫布假設的這套樹突生長模式:神經元被激發、依序增加與相鄰神經元的連接,樹突纖維因此生長;現已公認是記憶的細胞基礎。樹突在這個過程中非常重要,因為它們將神經信號從一個神經元傳遞到另一個神經元。樹突長得越大意味著神經元間連接性的增加。樹突以很美的方式生長,稱為「分枝」(arborizing,字根來自拉丁文arbor,意思是「樹」),因為樹突纖維就像樹一樣。

神經元最多可長出一萬五千個樹突,你可能還記得,人腦有六百八十億個神經元;可以想見,樹突分枝和新突觸形成的連接數量是天文數字。

這不是魔術,事實似乎就是如此,連接的可能性可以無限計。

要形成記憶,即便只是短期記憶,其關鍵程序是細胞一起激發的時間必須夠長夠久才能連在一起。一起激發會形成瞬時記憶,連在一起形成更久的記憶。強化細胞集群的編碼運作就是鞏固記憶(consolidation)。訊息在人清醒的狀態下不斷進入大腦,但其中大部分並沒有固化—它就是消失了,因為這些訊號沒有關連性。在分子水平上,從點燃細胞集群到形成固化連接的記憶,這過程取決於許多因素,而這些因素在在受到傳入信號強度的影響。如果信號強度到達關鍵閾值,神經元就會產生樹突蛋白,記憶就會變得更加持久。如果信號很弱,細胞集群的激發狀態慢慢退去,就不會有連接。細胞需要能量來長樹突,而能量來自神經元的電子活動—激發越多,連線越多。

赫布精確地說明了大腦中的能量如何轉化為物質,這是經由電子-化學能量轉換,從神經元激發到產生構成樹突蛋白質的過程。赫布和所有偉大發現者一樣,鉅細靡遺地觀察了他的評估對象並忠實記錄觀察結果,儘管他無法證明這些得自觀察的論點。但我最喜歡赫布的一點是,他相信理論建立的目的不是為了與另一個理論對立,而應該用來激發思考和導引後續研究。人們有時不得不藉著記錄理論框架的大量心理學文獻來了解理論和反理論背後的脈絡,外行人通常難以分辨某些形似卻實不同的並列理論。有些理論是相似的,因為新的理論是從舊有理論中產生的。赫布並沒有將他的理論與當時主流框架對立,只是把這些知識用來進一步理解他的觀察。

海馬迴和皮質間不斷對話,藉著對話,大部分的記憶最終都存到皮質中了。 圖/ingi...
海馬迴和皮質間不斷對話,藉著對話,大部分的記憶最終都存到皮質中了。 圖/ingimage

海馬迴可塑性和記憶組織

海馬迴神經元數量有限,當我們正處與外界感覺交涉的當下、正在強化或不強化記憶集群時,我們的海馬迴神經元會一直處於集結、離散或重組的狀態。海馬迴神經元在功能設計上必須特別適合讓突觸持續生長和重新組建。生理系統改變或重建的能力稱為「可塑性」(plasticity),海馬迴本質上就具有可塑性,當某些強烈記憶形成時,實際上是可以看到它「長」成一組單位的。學習可讓海馬迴成長,最明顯的例子是著名的倫敦計程車司機研究,研究發現,計程車司機經過兩年的密集學習,熟悉行車路線後,他們右側的海馬迴明顯更大。每當我搭上倫敦的計程車,這項研究就如「黏住的」記憶必定出現在我的腦海。另一方面,記憶力衰退是正常衰老的一部分,我們可以在MRI上觀察到因為大腦衰老而變小的海馬迴。

我們現在知道憂鬱症患者的左側海馬迴體積較小,如果憂鬱症反覆發作或持續時間較長,縮小程度會更大。由此可知,對於不同類型的記憶似乎存在「單側效應」(laterality effect,對於某項特定功能,大腦的一側比另一側參與更多):在計程車司機研究中,漸漸發生變化的是右側海馬迴,而憂鬱症患者通常縮小的是左側海馬迴。這是因為右側海馬迴對位置記憶更重要,而左側海馬迴則對自傳式記憶較重要。因此,憂鬱症患者的記憶功能較差也就不足為奇了,而且在鬱症發作期間,患者的自傳式記憶通常不完整,有時甚至會完全忘記。我的研究小組最近發表一項研究指出,左側海馬迴有一塊細胞集群是負責「編碼」的特定區域,若有憂鬱症,此區域會縮小。在這項研究中,我們發現首次發作憂鬱症的人海馬迴沒有變化,而長期患有憂鬱症的人海馬迴會發生變化。但令人高興的是,只要憂鬱症患者接受治療,記憶功能就會得到改善。

皮質記憶

是否所有的記憶都在海馬迴中?不,正如我們知道的,由於海馬迴中的神經元數量有限,記憶需要被回收以產生新的記憶。那麼海馬迴記憶都到哪兒去了呢?簡單來說,海馬迴和皮質間不斷對話,藉著對話,大部分的記憶最終都存到皮質中了。與海馬迴的神經元相比,皮質中的神經元較難改變或重組—它們的可塑性較低。皮質中的記憶地圖由細胞集群交織出的多重組合構成,相對來說不易改變,也就不易損壞。記憶有兩種系統,一種快速且具有可塑性;另一種較慢、有較高的穩定性,這意味著我們可以在相對穩定的知識系統內繼續學習和適應變化。但這並不表示皮質記憶是靜態的,狀況差遠了,皮質的「網路」不斷與具有可塑性的海馬迴相互作用,人的一生中皆是如此。

事件記憶和自傳式記憶的儲存採「神經元動力模式」(neuronal dynamic),發生地點在海馬迴和大腦前方皮質區之間,特別是稱為「前額葉皮質」(prefrontal cortex)的區域。前額葉區位於眼睛上方,有實驗對某人掃描,同時間讓他有意識地回想個人記憶,此時這一區便會亮起。情況似乎是海馬迴參與了事件記憶的置入,可能也參與對過去事件的回憶。雖然HM無法記住他手術之後的生活,但他可以記住從他童年時期一直到海馬迴被切除前三年的事。這是我們第一次了解到,雖然自傳式記憶是在海馬迴中產生,但並不是永遠留在那裡。而讓人疑惑的HM手術前三年的記憶空白,就是轉存需要的時間,自傳式記憶從相對較不穩定的海馬迴細胞集群轉到更穩固的前額葉皮質可能就需要三年。我們現在知道,當記憶逐漸久遠,較久的記憶會從海馬迴擴散到皮質,而轉換所需的時間從數月到數年都有可能。神經學家現在可以觀察到,如果較近期發生的事件被喚起,大腦亮起的地方主要是海馬迴;而前額葉區域參與更久遠事件的回憶。HM有完整的前額葉皮質,如果自傳式記憶已經編入「更高」層次的大腦,HM是可以觸及它們的。「更高」這個詞現已成為慣用語,特指那些具有調節自傳式記憶等複雜功能的大腦區域,就如前額葉皮質。

「海馬迴-前額葉迴路」是處理人一生歷史最主要的神經元高速公路。前額葉皮質網絡是說故事的人,蒐遍大腦各部位,尋找「製作用記憶」當成故事材料。

※ 本文摘自《記憶:我們如何形成記憶,記憶又如何塑造我們?精神病學家探索解析大腦記憶之謎》。


《記憶:我們如何形成記憶,記憶又如何塑造我們?精神病學家探索解析大腦記憶之謎》

作者:薇洛妮卡‧歐金

譯者:潘昱均

出版社:奇光出版

出版日期:2021/12/01

海馬迴
憂鬱症
短期記憶
記憶力衰退

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