大腦中的記憶能被看見嗎？

本文選自NewScientist，作者Clare Wilson，機器之心編譯出品。參與：salmoner，汪汪，Daniel，Angulia，柒柒，孟婷。
記憶不僅僅與過去有關：它由思想和自我組成。我們探訪大腦這座「寶庫」，來找出它究竟如何工作。

在《哈利·波特》系列電影中，它們是從魔杖尖流出的銀光，在最近的皮克斯電影《頭腦特工隊》（Inside Out）中，它們是放在腦海中架子上的小光球。但是真正的記憶是什麼樣子的呢？大腦如何從外界獲取信息並將其存儲而後用於檢索呢？大腦的存儲庫在哪兒？它們長什麼樣，是如何工作的？

很多人都會好奇，很想知道這些問題的答案，但是它們卻非常難回答。記憶研究者似乎經常採用零散的方法。一些人關注於大腦細胞之間的連接細節，其他人則試圖理解記憶的主觀經驗——比如，對於Marcel Proust來説，瑪德琳蛋糕的味道能勾起自己某些童年記憶。然而，他們卻很少從更宏觀的角度考慮：

當我們生成新的記憶時，大腦是如何變化的？
但是，答案肯定存在，因此我開始尋找記憶真正的樣子。我的目標是當我重温一次經歷或者回憶一個事實時，看看我大腦中有什麼在繼續工作，而且我還發現了更多東西。記憶似乎是機器中的靈魂，能讓我們每個人變得獨一無二。

一些早期關於記憶的開創性工作是20世紀60年代對海蛞蝓的研究。這些生物能長到一英尺長，而且有與之匹配的巨大神經細胞。由於其身軀巨大，因此當新的記憶形成時，我們可以看到發生了什麼。

通常，一個神經元細胞中的電子脈衝會釋放化學遞質，通過神經細胞間隙或突觸可以激活另一個神經元。早期的研究表明，當海蛞蝓對某個刺激做出簡單反應時，它們的突觸會被增強。第一個神經元的脈衝正要激活下一個神經元（看圖）。這是所有具有神經系統的動物的記憶的基礎，正因此項工作，哥倫比亞大學的神經科學家Eric Kandel獲得了2000年的諾貝爾獎。


但這並沒有回答我的問題。人類的大腦包含約1000億個神經元，平均每個神經元與1000個其他神經元相連接。這樣一來，我們就有了大約100萬億個突觸。那麼，當我創造出一個記憶時，這些突觸中哪一些被增強了呢？

在回答這一問題的道路上，最重大的進展來自於現代神經科學中最悲傷的一個故事

1953年，Henry Molaison（長期以來，他都被名字縮寫H.M.來代替）接受了一次導致嚴重後果的手術。醫生試圖切除他腦中引發癲癇的組織，Molaison的癲癇源自於海馬體（分別位於大腦的兩邊的一對結構，由於其形狀與海馬相似，故其拉丁名取名為海馬體），因此醫生摘除了Molaison的一對海馬體。

然而，這個27歲的青年卻遭遇了嚴重的後果，從此無法在腦中保存長時記憶，終生需要他人的護理（見每天都是土撥鼠日）。與此同時，這件事也在神經科學領域產生了重大的影響——Molaison的某些能力被手術損壞了，但另一些能力卻倖存了下來，從中我們學到了許多。

每天都是土撥鼠日

如果沒有長時記憶會怎樣呢？Henry Molaison在1953年時因治療癲癇進行了腦部手術，結果導致記憶受損，或許他的情況能給我們一些啟發。
與電影中那些失憶症患者不同，H.M.（那些研究員們就是這麼稱呼他的）知道他是誰，因為他保留了手術前的大部分記憶，但如果是新信息，他就無法記住，半分鐘後，他就忘了。研究員們常常會經歷這樣的時刻：在他們離開房間過會再回來，H.M.就認不出他們了。

如果Molaison看到鏡子中的他，他常常會驚訝於自己的年齡。他甚至忘記了他的父母已去世。不過大部分時候他並沒有覺得害怕或者疑惑，相反總是樂呵呵的。他經常表達進一步參與醫學研究的願望，並熱衷於參與各類測試。麻省理工學院的神經科學家Suzanne Corkin説：「他總是樂於助人。」她已經和H.M.一起工作了50餘年了。

Corkin在她的《Permanent Present Tense》一書中描述到，和Molaison的互動就像是處於超現實主義的邊緣。有一次坐車前往研究中心時，Molaison坐在後座，突然看到了車內儀表盤上的麥咖啡杯子。他説道：「在我小時候，我認識一個叫做John McDonald的人。」他講了些他們一起幹的事。之後他看着窗外，幾分鐘後，他又看到了那個杯子，「在我小時候，我認識一個叫做John McDonald的人。」他重複了一遍同樣的故事，幾乎一字不差。僅僅幾分鐘後，他又重複了一遍。於是，研究員偷偷地把杯子扔到了座位之下。
Molaison似乎記得手術前自己所知道的事情，這意味着，儘管海馬體對形成新記憶很關鍵，但它們對存儲記憶似乎沒那麼重要。他的短時記憶也未受到影響，他能記住15～30秒內的信息，但再長就不行了。此外，Molaison的腦損傷還表明，長時記憶有一些重要的分區（見下方的一些名詞解釋）。他依然可以學習運動技能，例如騎自行車。但是他無法對身邊發生的事物形成新的記憶，也無法理解新的事實。

一些名詞解釋

• 短時記憶指的是記住一段信息長達30秒，這段時間足以撥出一個電話號碼。短時記憶通常涉及到大腦皮層的神經網絡，即大腦最外層的部分。
• 長時記憶是指記住一條信息的時間超過半分鐘以上，還分為隱性記憶和顯性記憶兩種：隱性（程序性）記憶指的是那些涉及到學習新運動技能的長期記憶，比如學習某種樂器；顯性（陳述性）記憶指的是那些我們意識到的、能夠説出來的長時記憶。為了形成這類記憶，大腦皮層的神經元必須激活海馬體的其他神經元，這兩個結構都位於大腦深處。
• 顯性記憶分為兩種形式：自傳體記憶和語義記憶：自傳體（經歷性）記憶是指那些我們個人經歷中的特殊事件，比如昨天和朋友一起吃飯；語義記憶是關於事實的，它們被認為是自傳體記憶的啟蒙——我們記得何時何地知道了這些事實，之後它們變成了重複性的語言——我們忘記了個人的內容，只記住了最基本的事實。

長時記憶和短時記憶

海馬體似乎對人類個體和有智能的動物的記憶來説十分重要。因此，我去見了專門研究海馬體的英國倫敦大學學院神經科學家Hugo Spiers。在他的辦公室裏，有一個真實大小的橡膠人腦模型。他為我泡茶的空檔，我拿起這個模型，抽出了一個海馬體。比起它重要的功能，它的外形顯得過於平淡無奇——令人失望的是，它根本不像海馬。實際上，它的形狀和尺寸都很像契普拉塔香腸——根本想不到，人類的學習能力和心理時間旅行就從這裏開始。

Spiers直截了當地説，這並不是形成記憶所需的唯一部分。儘管海馬體很重要，目前的研究幾乎都圍繞着它展開，但實際上，記憶也涉及到皮層，也就是大腦的最外層，那裏能處理複雜的思想以及關於世界的感知覺。

比如説，昨天你在花園裏看到了一朵玫瑰，停下腳步來嗅其芬芳。這件事是由大腦後側和兩側負責視覺和嗅覺的皮層來處理。今天，如果你回想起這段經歷，就會重新激活同樣的區域。這個想法有時被稱作「重現」。人們提出這個想法已經很多年了，但是直到過去十年中，才因大腦掃描技術的應用而得到了確認。當某個人第一次看見一張圖片時，掃描儀中可以看到大腦皮層的某個區域亮起來了；而當他再次回想這張圖片時，同樣的區域會再次發出亮光。
Molaison的案例證明，嗅到玫瑰芳香的短期記憶與海馬體無關。但是，如果因為某種原因，你創造了一個超過半分鐘的記憶，那麼，大腦皮層相關區域與海馬體之間的聯繫就被增強了。 Spiers説，這樣，海馬體就與大腦皮層中不同的區域連接起來，將同一記憶的不同方面牢固地結合在一起。

今年，有人將它們所扮演的角色用一種美麗的方式展現出來了。研究者在人們試圖學習幾組無關概念（例如「奧巴馬」和「廚房裏的錢包」）時掃描了他們的大腦，結果發現，在學習階段讓海馬體最活躍的那些概念能被更好地記住。「海馬體能讓你同時檢索所有的記憶元素。」該項研究的研究者之一、英國倫敦大學學院的心理學家Aidan Horner如是説。

海馬體的這種功能有助於理解記憶的一個特徵，即回憶起一段經歷的某一方面可以自動喚起這段經歷的其他方面。比如，在電台裏聽到一首歌能讓我們回憶起第一次聽到它的瞬間，或者，早已被你忘記的瑪德琳蛋糕的味道能讓你憶起童年。Honer説，「這簡直就像是重新經歷了一次。」

一張複雜精妙的網

我開始把記憶理解成一個包含着分離元素的物質實體。它像一張泛着銀光的激活神經元彼此聯繫形成的一張網，這張網深入到大腦皮層各個部分以及守護記憶的海馬體中，將其也連接起來。

但是海馬體依舊有些地方令人疑惑。小鼠和大鼠實驗顯示，它在導航中起着關鍵作用，有時它甚至被稱為大腦的「衞星導航系統」。研究人員把電極放在動物的海馬體中來記錄單個神經元的活動，結果發現有些細胞只有當動物在某個地點時才會被激活。這些細胞被稱為「位置細胞」。這些被激活的細胞在一起能告知小鼠和大鼠它現在所處的位置，精確度可達5平方釐米。Spiers説，「當小鼠在迷宮中跑動時，你可以看見神經元依次被激活。僅僅通過這些小鼠位置細胞的活動，你就可以推測出它們在哪裏。這就相當於你在讀取它的大腦。」他和其他研究人員發現，哪怕在小鼠睡眠時這些位置細胞也可能被激活，同樣，我們也許在讀取它們的夢境。
那麼，為什麼長時記憶和導航都依賴於大腦裏的同一塊區域呢？在Spiers看來，是先有導航這個功能。他説，「任何需要通過四處活動來覓食的動物都最關心『在哪裏』這個問題。」隨着哺乳動物發展成為越來越複雜的有智能的動物，海馬體也產生了一個通用的機制，即把所有重要的事情都鞏固在記憶裏。他説，「網格系統非常適合把諸多東西繪製在其上。」

這是一個相當大膽的猜測，有些對癲癇病患者海馬體的研究支持這一想法，比如對Molaison的研究。如今，只會移除一邊的海馬體。「我們總會先檢查另一個海馬體是否能正常工作。」加州大學洛杉磯分校的神經外科醫生Itzhak Fried説。

為了確定問題的來源，病人的海馬體上經常插着100個電極，然後在他的診所裏呆上好幾周。多虧了他們我們才能發現，就如只有當小鼠進入特定位置時，其海馬體裏的某些神經元才會被激活一樣，人類海馬體裏的某些神經元也只會在辨認出某個東西的時候才會被激活。那個東西可能是一個地點，也可能是一個人，一個物品，或者是任何一樣東西。

2005年，Fried的團隊通過「珍妮弗·安妮斯頓神經元（Jennifer Aniston neurons）」這個吸引人的概念而使得這個理論廣為人知，這一神經元名稱的由來是他們的第一批病人中有一個病人在看到這個影星照片的時候，恰好電極旁邊的一個神經元被激活了。但是我原以為「認人」是視覺皮層乾的事兒，這個功能是怎麼和海馬體裏的神經元聯繫起來的呢？
珍妮弗·安妮斯頓

當我與英國萊斯特大學的Rodrigo Quian Quiroga（Fried的合作者）談了之後，一切都解釋得通了。視覺皮層裏不同的細胞可以辨認出不同條件下的同一個演員，比如側面、不同的髮型、低光環境中等等。然而海馬體的安妮斯頓神經元並不關心她長什麼樣，因為它們是二進制的，即她是或者不是安妮斯頓。它們甚至在她的名字被説出或是寫出來時都能被激活。Quian Quiroga説，「（海馬體裏這些細胞所負責的）是一個抽象概念。」

這兩個系統是這樣融合起來的：為了形成一段在某個場合看見珍妮弗·安妮斯頓的持續記憶，大腦皮層神經元必須激活海馬體裏的概念神經元。如果你在埃菲爾鐵塔觀光時碰巧遇見她，你的海馬體裏的「安妮斯頓神經元」會和「埃菲爾鐵塔神經元」一起被激活。這會加強它們之間的聯繫的強度，以便形成一個長期關聯。至少理論上是這樣的。Quian Quiroga説，他和Fried已經找到了一些證據：當給那些大腦中插入了電極的病人展示PS過的「埃菲爾鐵塔前的安妮斯頓」的照片後，在單獨看到埃菲爾鐵塔的照片時，這些病人的安妮斯頓神經元也會被激活。

似乎Quian Quiroga和他的團隊正在見證的大腦中新記憶的誕生。他們甚至可能已經觸及到「該過程涉及多少神經元數目」這個問題的答案了。為了做到這一點，他們必須從一系列假設出發：在人類海馬體中有大約10億的神經細胞，而且我們至少能辨識10000種不同的概念，比如地點、物體、朋友或是名人。當他們隨機選擇一張圖片展示給病人讓其辨認時發現，在對任意一個概念作出反應中，每個神經元約有0.1%的機率會被激活。這意味着每一個概念都由大概1百萬個海馬體神經元參與編碼。
因此根據Quian Quiroga的理論，一段「我生日那天於埃菲爾鐵塔頂端見到安妮斯頓」的記憶包括了三個不同的概念，即約有3百萬個海馬體的神經元參與其中。難道不也應該包括那些代表我一整天情緒變化、我那天穿了什麼、安妮斯頓的聲音等的皮層細胞嗎？或許，Quian Quiroga説道，但並不總是這樣。他指出我們的記憶經常缺少這樣的細節，「一段記憶的構成並沒有我們所認為的那麼細緻入微。」

如果他是對的，那麼我曾經幻想的聯繫大腦皮層和海馬體的銀色記憶網絡都會隨着經歷的變化而變化。正如當我調整了對於安妮斯頓的記憶，在海馬區的神經元會建立起新的連接，將它與巴黎的概念相關聯，同時過一段時間或許連接會變弱。

我喜歡將記憶看作概念集合這個想法，因為這表明了在構建思想模塊上，它們發揮了很大作用。畢竟，如果我對於茶、飲茶、是否喜歡它，如何儲藏等這些事物都沒有概念的話，我怎麼會在進入Spiers的辦公室時讓他幫我泡杯茶呢？「它們都是模糊的概念。」他説道。

但是其他人更願意遵循這樣的思路來思考，比如領導GoogleDeepMind人工智能計劃的Demis Hassabis，他研究人類的記憶希望從中得到啟發，來研發出更好的人工智能技術。他曾發現腦海馬區受過損傷的人在幻想未來和回憶過去方面都會面臨着較大的困難，這意味着記憶在我們形成思想等方面佔據着至關重要的地位。Demis Hassabis説道，將對世界的認知拆分為對基礎概念的認知並不只是我們思考過去的一種方式，也是與現在和未來的一種思考方式。
這甚至能幫我們理解創造力。「如果這就是記憶的運作方式，那麼我們的想象力肯定也依賴於相同的機制。」他説，「你仍然是把各個部分組合在一起，只不過用了另一種新奇的方式來完成工作而已。」在這種猜想下，你記憶的方式彙總了你所認知的所有概念，這使你能用一種必然的方式來想象事物、計劃未來。沒有它們，你是無法產生想要一杯茶，或是幻想完美假日等想法的。

我問Demis Hassabis：是我的記憶造就了我嗎？「記憶對於我們自身和我們的個性至關重要」他説，「雖然這已經是個老生常談的道理，但從某種角度來説它是對的，我們只是所有記憶的集合。」

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