學(xué)習(xí)記憶的生物實(shí)驗(yàn)

學(xué)習(xí)記憶的生物實(shí)驗(yàn)

學(xué)習(xí)和記憶是高等動(dòng)物和人類適應(yīng)自然環(huán)境的最重要方法。對(duì)人類來說，學(xué)習(xí)和記憶主要是適應(yīng)社會(huì)環(huán)境的方法。多年來生理、心理及精神醫(yī)學(xué)科學(xué)都試圖通過生理心理實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)踐,去發(fā)現(xiàn)和闡明學(xué)習(xí)記憶的惱機(jī)制和它的本質(zhì)存在,從而達(dá)到更好地駕馭學(xué)習(xí)記憶這一重要活動(dòng)的目的。對(duì)學(xué)習(xí)和記憶的生物實(shí)驗(yàn)研究,當(dāng)今已成為最令人矚目的課題之一。本文試就學(xué)習(xí)記憶的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及人體病理手術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)等方面做些介紹,以期在探索學(xué)習(xí)記憶腦機(jī)制的深層理論方面,起一推波助瀾的作用。一、低等動(dòng)物的學(xué)習(xí)行為和提取物傳遞記憶的實(shí)驗(yàn)人類揭示腦功能機(jī)制的奧秘,是從低等動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)開始的。這個(gè)意向的形成,與考慮到低等動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和積極因素有關(guān)。即:(1)生命是進(jìn)化的。學(xué)習(xí)記憶伴隨著進(jìn)化的始終,探索低等動(dòng)物原始學(xué)習(xí)記憶痕跡的模式,可以較好地掌握這一機(jī)制的形成和演化過程。(2)每一個(gè)行為事件即它的行動(dòng)、感覺、思想等都相應(yīng)地在體內(nèi)發(fā)生一系列的物質(zhì)變化,包括神經(jīng)的、生物化學(xué)的和電學(xué)的變化。低等動(dòng)物也具有這種特性。(3)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作比較簡(jiǎn)便易行,活動(dòng)范圍及靈活性均較大,便于觀察、測(cè)量和記錄。低等動(dòng)物的實(shí)驗(yàn),使一些學(xué)者想到記憶可能以生物化學(xué)的形式儲(chǔ)存在腦內(nèi),每一種學(xué)習(xí)應(yīng)伴有獨(dú)特的生物化學(xué)變化。并促使他們想到,如果把受過訓(xùn)練的動(dòng)物的提取物注射到未經(jīng)訓(xùn)練的動(dòng)物中,有可能得到一個(gè)有機(jī)體的記憶直接傳遞給另一有機(jī)體的奇妙結(jié)果。雖然這方面的許多實(shí)驗(yàn)從理論到結(jié)果存在著爭(zhēng)議和不一致性,但它們的科學(xué)意義又仍是十分重大的。觀察低等動(dòng)物的學(xué)習(xí)行為和用提取物傳遞記憶的實(shí)驗(yàn)是美國(guó)的神經(jīng)生物學(xué)家和生理心理學(xué)家從本世紀(jì)六十年代開始的。他們從低等動(dòng)物的神經(jīng)反射和生活習(xí)性中,提出了一定的假設(shè)或推測(cè),希望通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和精細(xì)操作求得真正的發(fā)現(xiàn)。這一時(shí)期,最先進(jìn)行的是對(duì)單細(xì)胞動(dòng)物和軟體動(dòng)物,如對(duì)扁蟲、草履蟲、海兔(海螺)等的研究。對(duì)扁蟲的實(shí)驗(yàn),是想把記憶的痕跡傳遞或是遷移至另一同種動(dòng)物的體內(nèi)。1962年,M.Connell用電流刺激扁蟲,加以“弱光”作條件刺激產(chǎn)生收縮反應(yīng)。扁蟲形成條件反射后將其切成碎片,喂食未經(jīng)訓(xùn)練的扁蟲。吃了它的肉的扁蟲學(xué)習(xí)同樣的條件反射比對(duì)照組的扁蟲要快。這一結(jié)果使學(xué)者們有興趣做出更多的類似實(shí)驗(yàn)。如在1963年Zelmem把受過訓(xùn)練的扁蟲的RNA或蛋白質(zhì)提取物,注射到未經(jīng)訓(xùn)練的扁蟲的體內(nèi),發(fā)現(xiàn)它的學(xué)習(xí)速度加快。爾后的重復(fù)實(shí)驗(yàn)也都有這樣的陽(yáng)性結(jié)果。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然趨向一致,但在結(jié)論上引起很大的爭(zhēng)論和疑問。有的學(xué)者認(rèn)為上述現(xiàn)象是低等動(dòng)物的一種敏感作用,與高等動(dòng)物的學(xué)習(xí)不能比較;但大多認(rèn)為學(xué)習(xí)能力的提高是隨著某種物質(zhì)的傳遞或轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)的。這種物質(zhì)被認(rèn)為是一種生化物質(zhì),但不能確定它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這類實(shí)驗(yàn)涉及到“物質(zhì)提取”、“傳遞”、“遷移”等學(xué)習(xí)、記憶中最復(fù)雜最本質(zhì)的因素,因而它起到一個(gè)開創(chuàng)性的作用。它的重大發(fā)現(xiàn)和留下的難題,給未來的科研奠定基礎(chǔ)并讓更多的實(shí)驗(yàn)去證實(shí)。最早學(xué)者們是把學(xué)習(xí)與種系發(fā)生聯(lián)系起來的,認(rèn)為學(xué)習(xí)與突觸和細(xì)胞有著緊密的聯(lián)系。因此出現(xiàn)了“單細(xì)胞學(xué)習(xí)”的概念。支持這種理論的實(shí)驗(yàn)研究是以單細(xì)胞動(dòng)物草履蟲和變形蟲為對(duì)象的。它們沒有類似神經(jīng)元的專門化結(jié)構(gòu),但仍能通過細(xì)胞質(zhì)接受信息和傳達(dá)信息。不過單細(xì)胞動(dòng)物的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)尚不多見,很難取得成功的結(jié)果。有一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn),是把草履蟲放在試管里,當(dāng)它游到任何一端便會(huì)受到電擊,當(dāng)它游回中間電擊就停止。多次嘗試,草履蟲似乎學(xué)會(huì)了避免電擊的行為,即當(dāng)它們接近中間與兩端的分界線時(shí),便馬上回到中間而不遭受電擊。這種現(xiàn)象看起來似乎是一種學(xué)習(xí)行為。但實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)了這種行為反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。他們除去了分界線內(nèi)的一種溶液和改變分界線,草履蟲又恢復(fù)到訓(xùn)練前的水平,失去了回避電擊的特征?？茖W(xué)家們檢測(cè)到溶液原來是草履蟲受到傷害刺激(電擊)時(shí)的代謝產(chǎn)物,是它們自己非常厭惡的,從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向行為。這種轉(zhuǎn)向反應(yīng)無先前的經(jīng)驗(yàn),是不需要學(xué)習(xí)的本能性防御功能。在單細(xì)胞動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,這是一種積極的嘗試,為神經(jīng)細(xì)胞的電極技術(shù)研究邁出了新步伐。(一)突變的學(xué)習(xí)理論低等動(dòng)物的突觸在學(xué)習(xí)記憶中不是關(guān)鍵的。但它們的自身生理活動(dòng)和功能傳導(dǎo)與突觸結(jié)構(gòu)有廣泛的聯(lián)系。學(xué)者們認(rèn)為,無論哪一種動(dòng)物,只要神經(jīng)系統(tǒng)有了發(fā)展,學(xué)習(xí)的神經(jīng)基礎(chǔ)就存在于突觸之中,因而提出了學(xué)習(xí)的突觸理論。這種理論的一個(gè)基本假定是學(xué)習(xí)不能建立新的通路,而是改變固定通路的感受性,提高信息傳遞的量值和速度。這實(shí)際上是學(xué)習(xí)的潛能和易化。易化的根源是突觸的變化。美神經(jīng)生物學(xué)家Hebb認(rèn)為神經(jīng)元之間的突觸間隙在學(xué)習(xí)過程中是趨向縮小,自然使信息傳遞容易通過,而且只需釋放少量的化學(xué)遞質(zhì)即可影響附近的神經(jīng)元。參與學(xué)習(xí)過程的突觸在形態(tài)上出現(xiàn)自然增長(zhǎng)和膨脹,則有利于突觸的電變化。(二)海兔的學(xué)習(xí)行為與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系單個(gè)神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)行為實(shí)驗(yàn),是企圖探索學(xué)習(xí)的最原始的最本質(zhì)的物質(zhì)存在和機(jī)制。這一實(shí)驗(yàn)的開路先鋒是美國(guó)神經(jīng)生物學(xué)家肯特爾(Kandel,1970),他選用一種海洋生物——海兔(Aplysla,腹足類軟體動(dòng)物,亦名海螺)做實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)海兔對(duì)外界刺激有敏感的縮腮反射。于是細(xì)致地研究了海兔的學(xué)習(xí)行為與單個(gè)神經(jīng)元反應(yīng)以及電生理變化與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功之處,是利用這種動(dòng)物在細(xì)胞水平上揭示學(xué)習(xí)和記憶的某些基本過程?？梢宰粉櫟揭粋€(gè)與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的痕跡是如何在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中形成的。這對(duì)探索高級(jí)心理過程的本質(zhì)特征有重要的生物學(xué)意義。有必要指出,選用這種海洋動(dòng)物并不完全出于偶然。因?yàn)槎鄶?shù)學(xué)者意識(shí)到槍烏賊的巨大神經(jīng)在神經(jīng)生物電實(shí)驗(yàn)中已取得巨大的進(jìn)展,但要觀察學(xué)習(xí)的原始形成和基本過程,理應(yīng)選擇神經(jīng)元聯(lián)系比較單一而又具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)物。海兔具備如此特征,它的運(yùn)動(dòng)比槍烏賊遲緩得多,神經(jīng)元的數(shù)量少,沒有復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)和中間聯(lián)系,它的某些反射限于體表如腮、肛管和套膜棚的運(yùn)動(dòng)反應(yīng),從而便于觀察。應(yīng)該說,海洋的軟體動(dòng)物是很多的,最終選擇海兔,無疑是經(jīng)過了許多篩選、比較和艱苦的實(shí)踐。二、應(yīng)用長(zhǎng)時(shí)記憶的實(shí)驗(yàn)近幾十年來,由于蛋白質(zhì)科學(xué)的深遠(yuǎn)發(fā)展,為開展記憶功能的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。使動(dòng)物學(xué)習(xí)記憶的行為觀察進(jìn)入微觀的分子水平。證明蛋白質(zhì)成串排列的多肽鏈的氨基酸分子,是在活細(xì)胞的核微粒小體內(nèi)完成核糖核酸(RNA)信息轉(zhuǎn)錄工作的。這也成了記憶信息儲(chǔ)存的一種重要機(jī)制和錄制環(huán)節(jié)。很多小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)圍繞這一機(jī)理而進(jìn)行。美國(guó)密歇根大學(xué)采用了脊椎動(dòng)物金魚作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。用蛋白質(zhì)合成阻斷劑——嘌呤霉素(PuRo)阻抑蛋白質(zhì)的合成來觀察金魚的學(xué)習(xí)記憶功能。即讓魚金接受特制梭箱亮燈加電擊的迥避反應(yīng),通過在金魚的訓(xùn)練前和訓(xùn)練后不同的時(shí)間內(nèi)注射PuRo,發(fā)現(xiàn):記憶的鞏固與PuRo的關(guān)系極大,并需要時(shí)間和環(huán)境。PuRo不阻礙學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的短時(shí)記憶,但卻干擾長(zhǎng)時(shí)記憶的鞏固;金魚長(zhǎng)時(shí)記憶的形成,在訓(xùn)練后的早期處于PuRo的敏感階段,如把動(dòng)物移開訓(xùn)練環(huán)境,仍可保持一定的記憶。這個(gè)實(shí)驗(yàn)最重要的一點(diǎn)是證明PuRo干擾長(zhǎng)時(shí)記憶的鞏固,說明長(zhǎng)時(shí)記憶依賴于腦內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。金魚作為實(shí)驗(yàn)的選用,是它非常普遍而適用,在實(shí)驗(yàn)室可以大量供應(yīng)。它的學(xué)習(xí)能力強(qiáng)而靈活,并可保持長(zhǎng)期記憶的特征,便于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和控制。關(guān)于長(zhǎng)時(shí)記憶這一點(diǎn),曾有一些人提出疑問,但據(jù)許多心理學(xué)家和釣魚人提供的資料和信息,證明金魚的長(zhǎng)時(shí)間記憶確實(shí)存在,因而開展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具有普遍意義。對(duì)于金魚和其他脊椎動(dòng)物的研究,促使人們把學(xué)習(xí)和記憶看成是生物發(fā)展的一種形式。動(dòng)物和人的腦內(nèi)布滿著由蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的遺傳物質(zhì)和聯(lián)系信息的網(wǎng)絡(luò)通路。在短時(shí)記憶中,對(duì)通路選擇非常迅速,但維持時(shí)間短暫,因此蛋白質(zhì)不起主要作用。如腦的乳頭體和海馬,僅保持著一種古老的記憶,也能進(jìn)行新的學(xué)習(xí),但不能形成新的長(zhǎng)時(shí)記憶。長(zhǎng)時(shí)記憶存在記憶鞏固的過程,要求腦的神經(jīng)通路和遺傳信息物質(zhì)有較持久的聯(lián)系。這樣,提出依賴蛋白質(zhì)的合成是極為科學(xué)合理的。因而得到了廣泛而深刻的實(shí)驗(yàn)證明。既然蛋白質(zhì)的合成是長(zhǎng)時(shí)記憶所賴以形成的決定性條件,那么腦內(nèi)是否存在“記憶物質(zhì)”呢?很顯然,蛋白質(zhì)可以被認(rèn)為是“記憶的物質(zhì)基礎(chǔ),但這與“記憶物質(zhì)”是兩個(gè)完全不同的概念。很多學(xué)者設(shè)想腦內(nèi)存在一種有特定結(jié)構(gòu)的記憶物質(zhì)。如把蛋白質(zhì)核糖核酸具有特定堿基序列的RNA分子結(jié)構(gòu)看成記憶的編碼物質(zhì)。于是,圍繞這一命題開展了許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。其中選用動(dòng)物的對(duì)象多是哺乳類的小動(dòng)物,如小白鼠、大鼠等。在這方面做得較多的實(shí)驗(yàn)有:①“記憶移入實(shí)驗(yàn)”。如把經(jīng)訓(xùn)練學(xué)會(huì)甩吊圈的小鼠腦中的RNA注射給未經(jīng)訓(xùn)練的小鼠,這小鼠也能不經(jīng)訓(xùn)練而甩吊圈;又如把對(duì)黑暗產(chǎn)生迴避反應(yīng)(電擊)的小鼠腦中RNA注射給其他小鼠,則也產(chǎn)生黑暗迴避反應(yīng),這是產(chǎn)生了一種“鞏暗素”的緣故。②記憶的相關(guān)試驗(yàn):主要在小白鼠的腦內(nèi)進(jìn)行藥物和訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。在于尋求RNA內(nèi)部變化和學(xué)習(xí)記憶之間的關(guān)系,尋求RNA的某種變量和參數(shù)與未經(jīng)訓(xùn)練的小鼠進(jìn)行相關(guān)比較。這一實(shí)驗(yàn)的結(jié)論,是較為局限的。雖然它可以表明RNA是某種系列學(xué)習(xí)行為的編碼,但還有許多實(shí)驗(yàn)不能得出一致的結(jié)論,產(chǎn)生的歧見是否定RNA有更多的變化行為相關(guān)。③記憶操作方法實(shí)驗(yàn):這是根據(jù)兩種效應(yīng)去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。一是認(rèn)為促進(jìn)RNA的合成必能加強(qiáng)記憶儲(chǔ)存,二是認(rèn)為抑制RNA的合成則會(huì)阻止記憶儲(chǔ)存。選用的動(dòng)物多為小白鼠、大鼠、魚類等。采用的藥物用嘌呤霉素和乙酸環(huán)己基酰亞胺。瞟呤霉素可取代一個(gè)氨基酸的位置而阻礙蛋白質(zhì)分子多肽鏈的生長(zhǎng)、乙酸環(huán)己基酰亞胺則只降低幾種氨基酸結(jié)合到一起的速度,它的劑量不到一微克即可使小鼠和金魚產(chǎn)生嚴(yán)重的可測(cè)量的記憶缺損。上述三種動(dòng)物記憶實(shí)驗(yàn)的生物學(xué)意義和心理實(shí)驗(yàn)意義非常重大。雖然現(xiàn)今認(rèn)為記憶物質(zhì)是不存在的,但從科學(xué)發(fā)展史的觀點(diǎn)來看,進(jìn)行記憶物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)探索記憶的本質(zhì)存在和記憶的生物化學(xué)內(nèi)在因素都起過推動(dòng)作用。應(yīng)當(dāng)指出,這類實(shí)驗(yàn)在全世界許多國(guó)家的生物學(xué)家和神經(jīng)生理學(xué)家無不爭(zhēng)相開展,但都并不能取得一致的結(jié)論。他們的實(shí)驗(yàn)或許是系列的、反復(fù)地進(jìn)行,但成功的廣泛性或交叉的認(rèn)同性都比較低。這就必然阻礙了實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展,無法取得較大的突破。因而這種實(shí)驗(yàn)也可以被認(rèn)為是孤立的局限的。但是這類實(shí)驗(yàn)若從總體上進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)想和設(shè)計(jì),進(jìn)行全面而深刻的配套和合作,在探索腦機(jī)能的復(fù)雜機(jī)制方面仍有深刻的發(fā)展意義。三、全息照象原則科學(xué)家們?cè)谘芯磕X的學(xué)習(xí)記憶機(jī)制的過程中,遭到了許多失敗。很多人因此而憂慮,認(rèn)為未能為記憶痕跡找到生理證據(jù)是對(duì)心理學(xué)一個(gè)很大的沖擊。也認(rèn)為記憶在腦的什么部位儲(chǔ)存和再現(xiàn),是一個(gè)極難知曉的秘密。但是腦的奧秘也如宇宙的奧秘一樣,總會(huì)被人們科學(xué)的實(shí)踐去發(fā)現(xiàn)和證明。在較長(zhǎng)的科學(xué)探索實(shí)踐活動(dòng)中,美國(guó)的實(shí)證主義學(xué)派是有過很大的貢獻(xiàn)的。這一學(xué)派以K.S.拉什利為代表,他畢生從事記憶神經(jīng)生理學(xué)的實(shí)證研究,成為神經(jīng)生理實(shí)驗(yàn)和心理實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)。在拉什利實(shí)驗(yàn)先驅(qū)的影響下,人們把實(shí)驗(yàn)的對(duì)象越來越多地轉(zhuǎn)移到高等動(dòng)物和人類本身。人們自然聯(lián)想到腦經(jīng)歷外傷和腦部病變后仍能生活并保持較好的學(xué)習(xí)記憶能力;神經(jīng)外科醫(yī)生將腦的一部分病變組織和外傷區(qū)域切割,仍能保存生命和腦的功能。這只能解釋為腦的感覺信息系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膬?chǔ)備力,并以“等勢(shì)”的“復(fù)份化”的模式分布于腦的整個(gè)系統(tǒng)。由于高等動(dòng)物和人類的腦信息儲(chǔ)備能力是這樣復(fù)雜,因此進(jìn)行高等動(dòng)物和人類自身的實(shí)驗(yàn)研究,有其特殊的作用。美國(guó)神經(jīng)外科學(xué)家K.H.普里布拉姆向傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)和流行的生理學(xué)家的觀點(diǎn)進(jìn)行挑戰(zhàn),繼續(xù)深入地研究拉什利的記憶實(shí)驗(yàn)學(xué)說。他和他的助手們用七年的時(shí)間完成一項(xiàng)靈長(zhǎng)類猿猴神經(jīng)生理實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了950只猿猴學(xué)習(xí)作業(yè)和記憶作業(yè)的實(shí)驗(yàn)過程,取得了豐富的神經(jīng)生理、心理方面的資料。他提出的“全息照象原則”是腦的信息儲(chǔ)存的最基本的原理。通過全息照片了解腦信息的分布,首先借助于相干激光來了解神經(jīng)元的活動(dòng)過程,使信息以干涉或散射圖樣的形式轉(zhuǎn)錄在全息底片上。這是把一種最先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)——激光照象,運(yùn)用于中樞神經(jīng)元的活動(dòng)過程中。例如將激光束的某一“對(duì)照”部分同猿猴視覺情景或別的客體反射來的部分發(fā)生交互作用,形成全息照片的干涉圖樣。利用這一原理可以反映出記憶活動(dòng)的其他方面。因而,在高等靈長(zhǎng)類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,這一實(shí)驗(yàn)技術(shù)有其獨(dú)特的作用。全息原則在猿猴實(shí)驗(yàn)操作中的運(yùn)用,解釋記憶機(jī)理的主要方面包括:視網(wǎng)膜、外側(cè)膝狀體、視皮層信息的傳遞方式和加工過程;皮質(zhì)突觸電變化及重迭接點(diǎn)微結(jié)構(gòu)的交互作用;蛋白質(zhì)分子與信息輸入?yún)⑴c重建映象以達(dá)到信息的分配和儲(chǔ)存。不過這一技術(shù)有較大的局限性。它要在完整的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行,不能完全揭示腦記憶的本質(zhì)。.對(duì)腦內(nèi)記憶的分配和再現(xiàn)這類本質(zhì)問題的探索,需要在靈長(zhǎng)類即猿猴和人身上作大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)查。K、H、普里布拉姆曾對(duì)數(shù)百只猿猴的皮質(zhì)后聯(lián)合區(qū)作種種切割手術(shù)。切割的型式