1985年11月191期上一篇下一篇

#發行日期:1985、11

#期號:0191

#專欄:

#標題:探索學習與記憶的生理基礎

#作者:梁庚辰

神經系統主宰學習和記憶

條件學習及工具學習

學習與記憶是否由大腦皮層負責?

賴序理的實驗
一位只有現在的病人—H.M.

海馬體是記憶的重要關鍵

記憶有不同形式

更多的證據

大驚奇——原來是小腦

海馬體參與較複雜的條件學習

腦神經的機動性

增益作用是學習與記憶的基礎

記憶可以在玻璃皿中研究

增益作用的分子生物觀

從玻璃皿再回到動物行為

記憶像夾心巧克力?

 

  .圖一:H.M.腦部切除後對重要新聞人物之辨認記憶。左圖顯示H.M.在各個部位被切除之部位。H.M.事實上接受雙側切除,但圖中左側保留完整以為對照。右圖比較H.M.及一般腦傷者、正常人之記憶,他於1953年之前數年之記憶較常人差,但1940年中葉之前的記憶和常人不相上下。
圖二:老鼠在海馬體切除前後,在米字形迷津之表現。海馬體切除後,老鼠明顯的再三進入同一通道中(B),與切除前的表現(A)顯著不同。
圖三:海馬體之細胞活動隨著兔子古典式條件學習而變化。左行代表第一天最初八個嘗試之和,右行表示第一天最後八個嘗試之和。圖中每一個直條代表在15毫秒中所記錄到之活動電位之次數。NM代表兔子之瞬膜反應(nictitating membrane response),CA1為海馬體中的一個部位,細胞活動在該處記錄(見圖五)。圖中明顯的可以看出,只有當條件刺激(CS)與無條件刺激(UCS)配對出現時,海馬體的活動頻數才有增加(圖B)。
圖四:上:兩種破壞小腦的方式會銷毀眼瞼條件學習。A﹒小腦半球全部抽取;B:毀壞齒狀核及中介核。中:小腦破壞前後之條件學習表現。破壞前右眼條件反應(CR)隨學習嘗試之增加而增強(P1及P2)。然後破壞小腦左半球,則所習得之條件反應完全消失,但無條件反應依然保持(UCR、L1、L2、L3及L4)。但無礙於右眼接受條件學習之能力。下:小腦齒核及中介核之活動,亦隨條件刺激與無條件刺激相伴出現次數之增加而加強。任何一個刺激單獨出現均不能造成改變。代號及圖形表現方式與圖三相同。
圖五:海馬體在鼠腦中之位置及細胞結構(A、B)。C圖l為穿透神經,它與尖齒迴之粒狀細胞之樹突形成突觸。粒狀細胞之軸突稱為苔狀纖維(mossy fiber,2),它與海馬迴部分CA3部分椎狀細胞之樹突形成突觸。此椎狀細胞之軸突分支稱為薛佛分叉(Schaffeis collaterals﹐3)和頂部CA1之椎狀細胞樹突形成突觸。各類細胞之排列及軸突所停之都位都極規律。在海馬迴長條形的結構中切下任何一片皆可見到如此之排列。
圖六:海馬體長期增益效應。A為實驗之安排。B為所記錄之反應:實線為高頻刺激前之反應範圍,虛線為高頻刺激後所得到之反應範圍,箭頭為刺激時間,2 , 3為海馬迴細胞的反應。C為長期增益所延續之時間,增益效果持續到第八十天。
圖七:林區所提出有關海馬體長期增益形成的假說。(A)未受訓練之前,大部分的麩胺酸受體是隱藏著的,在第一次刺激時活化了少數的calpain;(B)導致較多的麩胺酸受體露出;(C)繼續訓練的刺激造成大量鈣離子進入,大部分calpain活化;(D)導致更多的麩胺酸受體露出以及突觸後細胞變形。

 

 

 

探索學習與記憶的生理基礎


學習與記憶是多數動物具有的一項能力,這項能力在人類身上尤為特出。和其他動物相較,我們用於學習的時間不僅特別長,而且所學的內容也特別複雜。這漫長而複雜的學習歷程,不僅使個人的心智得以成長,也使人類的文化能不斷地發展。因此,學習與記憶的能力從何而來以及有什麼方法可使他們增強,乃成為眾人所關心的一個問題。要解決這問題,就必須先了解學習與記憶在生物體中是如何進行的,也就是說,要了解學習與記憶的生理基礎是什麼。

神經系統主宰學習和記憶

現有的知識指出,神經系統是控制動物行為的主宰。在這個前提之下,當我們的行為因學習而有所改變時,我們神經系統的結構和功能也必然會有相應的改變。同時,若學習所產生的效果能保留在我們的記憶之中,並影響爾後的行為,則學習所引發的神經變化,必然也會保全在我們的腦中。這些神經變化是什麼?它們如何被保全下來?

人的腦約由1011個神經細胞所組成。自出生後,這些細胞的有減無增,似乎讓我們無法為上述問題找出一個簡單的答案。如果學習與記憶並非肇因於神經細胞的增殖,那麼神經系統還有那些特性,足以記錄下學習經驗所造成的影響,而將之反映在爾後的行動與思考之中?一般的神經科學知識告訴我們,人腦的1011個細胞可以被劃分成不同的結構。這些結構,或是整體,或是部分,曾經被神經科學家賦予不同的行為功能,如大腦皮層即有所謂的運動區、身體感覺區、視覺區、聽覺區等等。如果這個功能區位化(functional localization)的觀念是顛撲不破的,則負責學習與記憶的區域在那裡?這些問題目前很難從人的本身獲致解答。但近十冬年來,行為神經科學者在探討動物學習與記憶的生理基礎上,卻有相當的進展。這些研究,便是本文要討論的內容。

條件學習及工具學習

在討論這些研究之前,讓我們先熟悉兩種實驗室中常見的動物學習方式:一是古典式的條件學習(classical conditioning);一是工具式的條件學習(operant conditioning)。古典式的條件學習,是俄國生理學家巴甫洛夫(I. Pavlov)在1904年所提出。巴甫洛夫以研究消化生理著稱,並曾因此方面的貢獻獲得諾貝爾獎。他在研究消化液分泌時注意到他的實驗受試者——狗,不僅對正常的刺激如食物、酸會有分泌口水的反應,而且對一些常與食物相伴出現的刺激,如盛食物的盤子、餵食者的身影、實驗室開門的聲音,也會有分泌口水的反應。巴甫洛夫對這個現象做了一連串有系統的研究。他在食物出現之前,先響一個鈴聲。開始時,狗只有在食物出現時才流口水,但當鈴聲和食物配對出現多次後,鈴聲也可引起狗流口水的反應。因為食物是引起流口水反應的自然刺激,巴甫洛夫將食物稱為無條件刺激(unconditioned stimulus),食物所引出的流口水反應為無條件反應(unconditioned response)。因為鈴聲必須在與食物多次配對的條件下,才能引起流口水的反應,鈴聲與鈴聲所引起的流口水反應分別稱為條件刺激與條件反應,在古典式條件學習中,動物學會對一個原來不反應的刺激做反應。

在巴甫洛夫研究古典式條件學習的前後,美國心理學家桑代克(Thorndike)歸納出一項行為的法則——效果率(law of effect)。桑代克認為,在某一情境中,一個行為產生後,能為動物帶來滿意的結果,則爾後該行為出現的頻率便會增加。相反的,若行為導致不滿意或痛苦的結果,則行為出現的頻率便會減少。工具式的條件學習便是根據這個原則發展出來的。在這種學習中,動物是以某一特定的行為做為獲致報酬或躲避處罰的工具。譬如:把老鼠放入一個Y字型的迷津中,到了選擇點,牠見到兩邊的通道是一明一暗。老鼠通常喜歡進入暗的一邊。但如果實驗者在老鼠進入暗處後,施予電擊;而老鼠進入明處後,賞以食物,則幾次的嘗試(每跑一回迷津謂之一個嘗試)後,老鼠便會棄暗投明了。所以工具式的條件學習是,使動物的某一行為在某種環境中出現的機會,較自然狀態下增加或減少。

學習與記憶是否由大腦皮層負責?

學習與記憶的生理基礎是什麼,乃是古老的身心問題(mind body problem)中的一部分。希臘、羅馬的學者認為心智的能力源於腦中的液體,這些液體儲存、運行於腦中之空腔,擔負不同的心智功能。在小腦底下的空腔(今日稱為第四腦室)即為學習與記憶能力之所在。這些觀念,到了十八、十九世紀,才由新興的神經學知識取代;心智與行為的控制者,由腦腔中的液體轉移到腦的實體組織中。

1870年,德國的弗力虛(Fritsch)與希齊(Hitzig)發現,以電流刺激大腦皮層前葉不同的區域,可以導致身體不同部分的活動。法國的醫生布羅卡(Broca)在1861年提出大腦皮層前葉的一個特定區域毀壞之後,會損及說話、發聲的能力,因此他認為這個區域是掌管語言的運動機能。二十年後,德國的韋力基(Wernicke)發現大腦皮層顳葉附近一個區域被破壞後,語言的內容變得雜亂而貧乏,而且病人失去理解語言的能力,他認為這一區域是掌管語言意義的。

這些研究,促成了大腦皮層功能區位化的觀念。當時,人們熱衷於為不同的心智能力找出其在腦中的掌管部位。在這種學術思潮的影響下,巴甫洛夫認為學習與記憶是屬於大腦皮層的功能。他提出一個神經理論,來解釋其在古典式條件學習中所觀察到的種種現象。他的理論是,一個感覺刺激的出現,會在皮層上造成或引發一個特定的興奮區域。當條件刺激與無條件刺激相繼出現時,在腦中所形成的兩個神經興奮的特定範圍便會相互的吸引,而使得二者之間的聯絡加強。當此種結構或功能上的聯絡強化到某一程度,只要單獨呈現條件刺激,條件刺激區的興奮性,便可透過此一聯絡興奮無條件刺激區,從而引發出反應。

以今天神經生理與解剖的知識看,巴甫洛夫這個學習的神經理論相當的不成熟。但是,巴甫洛夫明白地揭示了兩個觀點:第一:學習的能力是位於大腦皮層;第二、學習的形成是由於皮層上特定部位聯絡的加強,所以學習及記憶應與特定的神經連結有關。

賴序理的實驗

巴甫洛夫這個學習的神經理論,被美國的生理心理學者賴序理(Lashley)拿到實驗室中加以檢定。賴序理的推論是,學習的形成,若有賴於皮層上特定神經聯結的強化與建立,那麼切斷這些聯結,必可銷毀學習所產生的效果。賴序理於是訓練老鼠跑迷津,在迷津中老鼠必須依賴視覺的線索判斷何者是正確的選擇。當老鼠學會之後,他在鼠腦的皮層上縱橫的切割,使皮層成為獨立的許多小塊,目的在打斷他們之
間的聯結。待老鼠自手術中復元後,賴序理又將它們放回迷津之中。結果發現,無論切割的方式為何,老鼠跑迷津的行為並沒有受到太大的影響。可見學習的成立,似乎並不依賴大腦皮層上特定連結的建立。

賴序理進一步檢定,大腦皮層中是否有學習所必需的特定的區域。他在老鼠學習迷津之前或之後,在大腦皮層的不同區域切除大小不等的組織,然後觀察老鼠在學習或記憶迷津上的表現。他發現,大腦皮層上並沒有那一塊區域和學習及記憶有絕對的關係。切掉一塊皮層之後,迷津的學習與記憶會變得較困難。但這行為上的缺陷,卻和切除的部位無關,只和切除的大小有關;切除掉越多的組織時,則記憶越差。賴序理認為,就學習與記憶這項心智功能而言,大腦皮層上各個部位均具有相等的參與潛力,故學習與記憶表現的好壞,端視參與學習的皮層組織多寡而定。這個「等潛」(equipotentiality)和「質量作用」(mass action)的觀點,與當時盛行大腦皮層有所謂「功能區位化」的看法,大相逕庭。

賴序理的實驗,縱然沒有使當時所有的人信服(巴甫洛夫便不同意),但卻使企圖在腦中追尋記憶或學習基礎的努力,沉寂了下來。因為面對賴序理這樣的發現,腦中似乎不可能有一個結構只與記憶或學習有關。這種想法,一直到將近三十年後才有所改變。

一位只有現在的病人—H.M.

1957年,加拿大的心理學家米奈(Milner)及神經外科醫生史高微(Scoville)發表了一個非常著名的病例報告。他們有一個病人,名字的縮寫是H.M.(他目前還活著,所以全名不能公開),因為患有非常嚴重的癲癇,醫生在企圖用藥物治療失敗之後,決定切除他腦中引發癲癇的部位。H.M.在1953年經過腦部手術,切除了大腦兩邊顳葉的內側組織之後,癲癇的毛病,明顯的受到控制。但他的記憶力,卻從此出了問題。從那時候起,一方面他對於新經歷的經驗無法保留很長的時間;另一方面,他忘掉了從前(手術前)所發生的事。他記不得新家的住址,醫院的通路;一篇文章,一首歌曲,他翻來覆去的吟誦,永遠覺得新鮮。他自己感覺到:「每一天,每一刻,似乎都是開始,沒有過去。」

以語文測驗測試,H.M.似乎有正常的短期記憶,但這記憶很快的就減弱消失了。H.M.遺忘手術前的事情,但是這個遺忘卻是與時間有關的。在一個正式的測驗中,H.M.被要求指認重大新聞人物的照片。結果發現,對1940年代中期以前的事情,H.M.有正常人般的記憶,但1940年代末期之後的事件,H﹒M﹒的記憶便比正常人差了,而且越接近1953年的手術時間,H.M.的遺忘越是嚴重(見圖一)。這種呈現梯度的回溯性遺忘(retrograde amnesia)在討論H.M.失掉腦組織的功能時,是一個關鍵性的證據。

海馬體是記憶的重要關鍵

H.M.被切除的腦組織,包括海馬體(hippocampus)、杏仁核(amygdala)及鉤迴(uncus)的一部分(見圖一)。當時,米奈在觀察了幾個腦傷的病例之後,發現只要海馬體被破壞了,則多少會產生類似H.M.的遺忘症,但杏仁核被破壞的病人,並不見得有失憶的現象。因此,她認為H.M.的癥狀與海馬體的切除有關。然而二十年後,密須肯(Mishkin)利用猴子做實驗發現,唯有同時破壞海馬迴及杏仁核,才可能產生強烈的遺忘症,單獨破壞任何一個構造,並不會引發太大的效果。姑且不論是那一個組織的毀壞造成H.M.的遺忘症,米奈和史高微的發現,重燃了研究「學習與記憶」神經基礎的興趣與希望。H.M.被切除的部位,不可能是記憶永久存放之所在,否則,他應該忘掉1953年以前所有的事。但縱令這些部位非記憶存放的所在,至少也與記憶的形成有關。於是,許多生理心理學家便將由H.M.所得的知識,在實驗室中以動物來進行研究。

記憶有不同形式

由於米奈認為H.M.的遺忘,是因海馬體被破壞所致,因此,許多研究者紛紛破壞動物的海馬體,以觀察其在學習或記憶的效果。但是多年來一直沒有一致的結果;在有些研究中,得到明顯的效果,而另外一些研究中,卻又完全無效。這個紛擾的局面,直到歐頓(Olton)的研究出現後才獲得澄清。

歐頓訓練老鼠跑一個米字形的迷津,如圖二。老鼠由中央的圓盤出發,需要跑過狹窄的通道,在通道的末端,可以得到食物。老鼠要學的是,用最有效的方法,取得八個通道的食物,也就是說,每個通道只能進去一次,歐頓認為,這種學習對動物有實際生活上的意義。一隻蜜蜂,若其飛行領域中有八叢花,則最好是每叢花採蜜一次之後,才再回到第一叢,這樣新蜜才有足夠的時間生成。

當老鼠學會米字形迷津之後,歐頓將其海馬體破壞,或切斷海馬體對外的聯絡通路。歐頓發現,經過這手術之後,老鼠便無法正確跑完一個迷津,它們常常重複的進到同一通道之中(見圖二)。正常的老鼠,在跑完若干通道之後,若將其留置在中央一段時間,然後再讓其跑完餘下的通道,並不會造成錯誤。但海馬體被破壞的老鼠就不同了,它們留置在中央的時間越久,所犯的錯誤也就越多。歐頓認為,海馬體被破壞了之後,老鼠無法記住剛剛自己已跑過的通道。但歐頓也注意到,一隻從未跑過米字形迷津的老鼠放到迷津中央之後,往往茫然不知所措。但一受過訓練而海馬體被破壞的老鼠進到迷津之後,雖然牠們無法再保持每個通道只進一次的最佳策略,仍立刻會走進那狹窄的通道中,跑到末端去尋找食物。

同時,如果把通道的數目加倍,其中一半有食物,一半沒有食物,老鼠要學會只進到有食物的通道中一次,而避開沒有食物的通道。學會之後,老鼠接受海馬體毀壞的手術。手術後的老鼠再回到迷津中時,它如前面所述,往往重複進到一個有食物的通道中去。但是它卻絕對不會進入沒有食物的通道中,可見某些記憶,依然保存在海馬體破壞了的老鼠腦中。

歐頓認為,海馬體所負責的,是某一時間內某一特殊事件的記憶(如在這個嘗試內,剛剛去過那幾個通道),而非一般性的原則(如必須進到一向有食物的通道)。歐頓稱前者為「當事記憶」(working memory),後者為「參考記憶」(reference memory)。這些實驗的結果顯示,從前有關於海馬體被破壞後對動物記憶有無影響的爭議,也許源於某些實驗所測的是「當事記憶」,而另一些實驗所測的是「參考記憶」。

事實上,H.M.也並非什麼事都記不住。米奈很早即發現,H.M.可以學會鏡描——看著鏡像中的手與圖形描繪一個固定的輪廓。最近,施圭爾(Squire)也發現,H.M.和正常人一樣,可以學會看著一個字的鏡中倒像,說出這個字來。並且隨著練習而有所進步,亦即速度越來越快。但奇異的是,正常人事後,可以回憶出曾見過那些字,而H.M.對此卻毫無印象。施圭爾認為,H.M.對技術、原則性的經驗有累積的能力,但對一些有特定內容的經驗卻無法保留。這一方面說明了記憶的形式可能不只一種,另一方面也顯示腦中與記憶有關的結構、機制可能不只一個。

更多的證據

上述的實驗,說明破壞了海馬體之後,的確會引起某些學習與記憶功能的喪失。但是,這些證據,並不足以確定在正常狀態下,海馬體負責此一功能。這就好比拔掉收音機的插頭,收音機不響了,但插座並非收音機發聲之所在。神經系統,並不是一個靜止的結構,當它的組織有一部分被破壞時,剩餘的部分為了因應,往往會有形態上或功能上的變異。這使我們難以判斷,腦傷後之行為變異,究竟是由於失去了某一部位所致,還是由於剩餘部位某些重組性反應所致。因此,要確定某一神經組織參與了某一行為功能,只靠破壞該組織的證據是不夠的。我們必須證實該組織的神經活動,在功能進行中與靜止時應有所差異。也就是說,神經活動與行為應有對應的變化。

在古典式條件學習中,條件刺激最初是不能引起反應的,但和無條件刺激配對多次之後,便可引起反應。也就是說,起初,受條件刺激所興奮的神經衝動,不能引發控制反應的運動神經核產生任何活動;但學習後,卻可引發其活動。因此,在學習過程中,從條件刺激的感覺神經到反應的運動神經核的神經路徑間,必然有某些神經細胞產生改變。於是許多生理心理學者便企圖找出這個改變的位置。

湯森(R.F.Thompson)以兔子眼瞼反射的古典式條件學習為材料,尋找神經活動改變之所在。湯森認為,神經的改變,若要成為學習之所以能產生的原因,則改變必須在條件反應出現之前表現。湯森先呈現一個聲音,然後,向兔子的眼睛吹氣,兔子眼皮會反射性地蓋下。當聲音和噴氣配對出現過幾次之後,兔子只要聽到聲音,眼皮便會蓋下。控制眼皮反應的是腦幹的外旋神經核(abducen nuclei)。

目前解剖的知識,並不曉得聽覺的通路如何與外旋神經核聯絡。湯森可以採取的策略是由聽覺神經追蹤下去或由外旋神經核追溯回去,看看那一個突觸會因條件刺激與無條件刺激的配對出現而改變。但湯森認為,過去諸多的證據顯示海馬體與學習有關,很可能這條件刺激與無條件刺激或反應「會合」之處(locus of closure)即在海馬體中。於是湯森的學生柏格(Berger)將電極埋入兔子的海馬體中,然後訓練兔子對聲音做眼瞼反應。在兔子學習的同時,柏格記錄在海馬體所產生的細胞活動(multiple unit activity)。

柏格發現,在條件學習之初,聲音的出現並不會改變細胞活動。但當聲音和噴氣配對出現幾個嘗試之後,海馬體神經細胞活動的頻率在噴氣後眼皮蓋下前之間增加了(見圖三)。再經幾個配對嘗試,細胞活動在聲音出現後便開始增加。當聲音能改變海馬體細胞的活動之後不久,眼瞼的條件反應也開始出現,所以生理的改變在行為改變之前。然後,隨著配對嘗試的增加,海馬體細胞活動也逐漸加強,眼瞼條件反應的強度也相應的增強。而且,在每一個嘗試中,海馬體的活動的增加,總是出現在條件反應之前。所以海馬體的細胞活動頻率成了預測條件反應一個很好的指標。

值得注意的是,這種海馬體活動的改變,只有當條件刺激(聲音)和無條件刺激(噴氣)相伴出現時才會產生。如果單獨呈現聲音、單獨呈現噴氣,或聲音與噴氣二者隨機出現,均不會引起海馬體細胞活動的改變。可見這種神經反應絕非由感覺刺激所引發的感覺神經活動。在單獨呈現噴氣或聲音、噴氣二者隨機呈現的情況下,眼瞼反應必然會產生。但在這種只有無條件反應的情況下,海馬體的活動也不見改變,可見它也不是單純的運動神經反應。

綜合以上的證據,海馬體的神經細胞,只有在學會條件反應的情況下,才有活動的改變。可見此改變,確為學習的神經相關(neural correlate of learning)。湯森與柏格因而推論眼瞼反應古典式條件學習的形成與保留,存在於海馬體之中。這似乎強化了當時一個矇矓的想法:海馬體乃是記憶之寶庫。

大驚奇——原來是小腦

如果,海馬體確為古典式條作學習的關鍵區,則破壞它之後,動物應該學不會古典式的條件反應。然而,湯森的學生柯拉克(Clark)發現,除掉海馬迴的兔子依然可以學會古典式的眼瞼條件反應。一些研究指出,兔子可以完全沒有視丘(thalamus)以上的結構,而仍可以學會該反應。由此可見,海馬體對於學習眼瞼條件反應而言,並非必需。那麼,什麼地方才是必需?

湯森的另一個學生麥可命(McCormick)發現,只有破壞了小腦深部的齒狀核(dentate nucleus)及中介核(nucleus interpositus)時,兔子才學不會或記不住眼瞼反應的條件學習。但是破壞了這些神經組織,對由噴氣所引起的無條件眼瞼反應並無影響(見圖四),這駁斥了兔子學不會條件反應是因運動機能喪失的想法。同時,在齒狀核與中介核所記錄到的神經細胞活動,也會因條件學習的進行而有所改變,並且能準確預測條件反應何時出現。

綜合以上的研究證據,湯森認為小腦才是古典式條件學習的關鍵所在。這似乎是驚世駭俗的一個看法,因為多少年來,小腦一直被視為運動調節與控制之主宰。這種看法,或多或少的排除了小腦尚有其他功能的可能性。但事實上,諾貝爾獎得主艾柯詩爵士(Sir J. Eccles)多年前即指出,小腦皮層上的細胞排列,尤其是波金基細胞(purkinje cells)接受多種訊息輸入的事實,使小腦成為學習與記憶基礎的最佳候選者。

海馬體參與較複雜的條件學習

那麼海馬體神經活動的增加又要如何解釋呢?它是否僅為學習歷程在神經系統中的一項副產品,而與條件反應的習得無因果關係?的確,柯拉克發現,當兔子的小腦被破壞之後,海馬迴神經活動的變化也隨之消失,可見該區活動的改變並非與生俱來而是由小腦來的。一個問題是,海馬體若非古典式條件學習所必需,則此地神經活動的改變有何意義?換言之,小腦為什麼要拖海馬體下水?

在古典式的條件學習中,有一種呈現刺激的方式是在條件刺激結束之後一段時間內,無條件刺激才出現。這種方式,叫做痕跡條件學習(trace conditioning)。通常這種痕跡條件學習較難,因為動物需保留條件刺激一段時間,才能將它與無條件刺激聯接起來。另一種條件學習稱為辨別條件學習(discriminative conditioning),此種學習有兩個條件刺激,一個總是和無條件刺激相伴出現,另一個則從不與無條件刺激相伴出現,動物要學會只對前者反應而不對後者反應。

研究發現,當兔子的海馬體受到破壞之後,它便學不會「痕跡條件學習」及「辨別條件學習」了。所以海馬體對這兩種難度較深的學習工作而言,仍是必需的。這種在學習簡單聯結時,負責較困難學習的神經結構也參與其事而興奮起來,是一件值得深思的事。這代表了「學習」在神經系統上的烙痕(engram),會自然留下一份或一份以上的多餘複本(redundant copy)。這些複本使動物能在將來的環境中,具有應付較複雜刺激情境的能力。

腦神經的機動性

湯森一系列研究的結果,再度印證了記憶不是一個單一歷程的觀點。腦中亦不可能只有一個單一的結構負責所有不同形式的學習與記憶。不同的神經區域,可能負責不同的學習與記憶的歷程。事實上,除了海馬體與小腦之外,許多其他區域的神經活動均會因不同形式的條件學習所改變。再者,小腦參與了條件學習的證據,更改變了功能與結構間有固定關係的看法;一個區域,可參與一種以上的功能。

腦中各個部位,隨時可因工作性質的需要而組成一個團隊。神經行為學家海伯(Hebb)在1949年便提出這種看法。在「行為之結構」(Organization of Behavior)一書中他即認為與學習經驗相應的神經可塑性(neural plasticity),將不是腦中某一固定區域的特性,而是許多細胞的基本能力。

增益作用是學習與記憶的基礎

那麼學習的經驗又如何影響到細胞的特性,而使它們保留住經驗的成果呢?我們再以海馬體為例來解答這個問題。在老鼠腦中,海馬體是一個形如香蕉或腰果的構造。它從腦的側面底部,彎到中央頂端。如果我們順著海馬體的長軸將其一片一片的切開,則可發現每一片都有兩個開口相對的C字型細胞列(見圖五)。其中一個C字形是由尖齒迴(dentate gyrus)之粒狀細胞(granule cells)所組成,另一C字型是由海馬迴的椎狀細胞(pyramidal cells)所組成。

這些細胞的細胞本體與樹突均呈現規律的排列,而且從不同區域來的神經訊息也停在樹突的一定位置。如果由海馬體後方內嗅皮層(entorhinal cortex)來的神經,稱為穿透神經道(perforant pathway),均是固定停在粒狀細胞頂部樹突外三分之二的地方,這種結構上的規則性在整個海馬體均是一致的。這給予研究者極大的方便。

1973年,英國的畢理斯(Bliss)與挪威的羅穆(Lψmo)描述他們在海馬體所觀察到的一個現象。在麻醉的兔子腦中,他們把刺激電極插入穿透神經道,把紀錄電極插入粒狀細胞的細胞本體附近。然後,他們記錄下單一的穿透神經道刺激在粒狀細胞群所引起的突觸後興奮電位(population EPSPs)以及活動電位(population spikes)。他們接著給予穿透神經道一連串高頻刺激(100Hz)三至四秒。隨後再度給予穿透神經道單一的刺激,並記錄在粒狀細胞群的突觸後興奮電位與活動電位。

他們發現,此單一刺激的電生理反應,在高頻刺激後較高頻刺激前增高很多,這種現象稱為「增益作用」(potentiation﹐見圖六)。這是神經組織中常可見到的現象。但畢理斯和羅穆發現,在海馬迴所引起的增益作用,可持續達10小時。這便大大不同於過去其他神經組織中所見到的「強直後增益作用」(tetanic potentiation)了。強直後增益作用通常需更高頻次、更長時間的刺激,但持續的時間不過數分鐘。但海馬體中的細胞,卻可在生理刺激範圍內,產生長久的增益作用。這個現象顯示,海馬迴中的神經細胞的反應特性會因經驗而改變,而且這個經驗的影響,可以保留一段相當長久的時間。這令畢理斯與羅穆不得不想到記憶。在文章的最後,他們說:「這現象的時間長度已符合儲存訊息的要求,雖然會不會在真實生活中利用它是另外一回事。」

兩年後,陶勒斯(Douglas)和高達(Goddard)發現,高頻刺激的作用是可以累積的,連續幾串的高頻刺激,不但使增益作用的幅度增加,也使其時效延長。如果每天給一串數秒的高頻刺激,持續十天,則增益作用可以維持八十天而不衰。隨後,他們又與墨諾頓(McNaughton)發現,要引起這種長期的增益作用,必須興奮相當數目的穿透神經纖維方能產生。換言之,即須透過幾個輸入共同合作才能導致此一現象。這二種特性:經常刺激造成長期的效果以及共同刺激才能生效,與兩種情況——學習中的練習效果及條件刺激、無條件刺激相伴造成條件學習——相互呼應。

記憶可以在玻璃皿中研究

從那時候起,海馬體的「長期增益作用」(hippocampal long term potentiation)成為神經科學領域中最受重視的一個題目。一方面,人們探討這個現象的細胞機制;另一方面,人們研究它與真實記憶間的關係。海馬體由於內部組織相當規律,科學家可以將一隻動物的海馬體取出,切成薄片,這些薄片可以在適當的溶液環境中維持數小時的生命。在這種情形下,同一隻動物的海馬迴便可接受多種不同的實驗處置,然後比較實驗的結果,如此便無需顧慮不同操作加在不同動物身上,可能受到個別差異的影響。林區(Lynch)便利用這些海馬體切片來研究長期增益作用的細胞機制。

實驗證據指出,穿透神經道及若干海馬迴內的主要神經通路是以麩胺酸(glutamate)為神經傳導物質,這些神經傳導物質,是作用在粒狀細胞或椎狀細胞的細胞本體上。林區等人發現,給予高頻刺激的同時,如果在海馬體切片中加入抑制胺基酸作用的藥物,則海馬體長期增益作用便不會出現。可見此效應的產生,有賴於在高頻刺激時,神經末稍所釋出的麩胺酸與其受體相互作用。

林區和包銳(Baudry)進一步發現,海馬體切片在經過一連串高頻刺激之後,麩胺酸受體的數目顯著的增加。這些增加的受體,在刺激停止後很長一段時間依然存在。再者,受體數目增加的多寡,和切片產生長期增益的程度成正比,長期增益作用大的切片,麩胺酸的受體便增加得多。這些證據顯示,麩胺酸受體的增加是長期增益作用形成的一個重要因素。

增益作用的分子生物觀

高頻率的刺激,如何促成麩胺酸受體的增加呢?在稍早的一個實驗中,林區和他的學生發現,如果把海馬體的切片放在沒有鈣離子(Ca+2)的環境中,高頻刺激便不會引起長期增益作用。他們進一步的發現,在沒有鈣離子的環境中,高頻刺激也不會引起麩胺酸受體的增加。可見鈣離子的存在是一個重要的關鍵。有人將高濃度的鈣離子溶液,加入海馬體切片的培養環境中,發現也可取代高頻刺激產生長期增益效應。而包銳與林區進一步發現,海馬體切片與高濃度的鈣離子溶液共浸一段時間後,即使不經刺激,麩胺酸受體的數目也會增加。

過去有關受體結合的實驗早已指出,在不同的離子溶液中,受體結合的數目會有所改變,但這些改變是暫時性與可逆的,當離子濃度恢復正常後,改變便消失了!然而,鈣離子對於海馬體麩胺酸受體的效果,卻是不可逆的,在高濃度的鈣離子溶液洗去後,所增加的受體依然存在。再者,鈣離子在極短的時間內便可達成這個效果,一分鐘內即可達到最大效果的一半,而五分鐘內即可達最大效果。這種迅速的作用和高頻刺激,在很短的時間內,可以引起長期增益效應
是相當一致的。

鈣離子如何導致麩胺酸受體的增加?鈣離子的這一作用受到溫度變化的影響;在35℃至40℃之間,效果最佳,而在20℃至25℃時便失去作用。這使得林區想到鈣離子也許與的作用有關。蛋白在切割了胜鏈後,也可造成持久而不可逆的效果,並且這效果的維持無需蛋白的持續存在。基於這樣的想法,林區檢驗了許多抑制蛋白的物質,發現其中有一種叫leupeptin的物質可以抑制鈣離子對麩胺酸受體的作用,但對正常狀態下的麩胺酸受體則沒有影響。因此,麩胺酸受體的增加是與蛋白的作用有關。

爾後,研究發現,細胞中確有一些蛋白,能被高濃度的鈣離子所活化。其中一種叫calpain Ⅰ的,被活化後,可使神經細胞膜上一種叫做fodrin的蛋白質減少。鈣離子在增加麩胺酸受體數目與促進fodrin分解,這兩種作用上有許多相似之處:譬如二者所需之有效鈣離子濃度均相似,二者均為leupeptin或低溫(20℃)所抑制,二者均需約五分鐘左右的反應時間,二者均可在海馬體中發現。

fodrin和其他一些蛋白質是構成細胞骨架(cytoskeleton)的主要成分。在許多種類的細胞中,它會遮掩細胞膜的受體。林區和包銳因此提出一個假設:當海馬體的細胞在強烈的刺激下,大量的鈣離子會湧入細胞中,使細胞內的calpain Ⅰ活化。由於calpain Ⅰ的活化,使fodrin被分解,fodrin分解之後,原來為其所牽制住的隱藏麩胺酸受體便裸露出來,使細胞膜表面的受體增加。在足夠麩胺酸的條件下,較多的麩胺酸受體自然會產生較大的神經反應。較大的神經反應又可引進更多的鈣離子,使更多的fodrin分解,露出更出的麩胺酸受體。同時,當身為細胞骨架的fodrin被分解之後,突觸後的細胞膜的形狀也會改變(見圖七)。這種形狀的改變,也有助於細胞反應的增加。

從玻璃皿再回到動物行為

林區原本是一個心理學博士,他最終所關心的,還是上述神經機制有無行為上的實際意義。如果,海馬體的長期增益作用確與記憶有關,而calpain Ⅰ的活化又是長期增益作用的機制,則在學習時抑制calpain Ⅰ的功能,則應有損於記憶的形成。林區的研究員史桃布麗(Stäubli)證實了這個看法。她在老鼠學了米字形迷津後,將calpain Ⅰ的抑制藥——leupeptin,以迷你泵慢慢地注入海馬迴附近的側腦室中,結果發現會使老鼠的錯誤明顯增加。但是注射leupeptin的老鼠,依舊可以學會或記得逃避學習(avoidance learning),這再度顯示海馬迴並非和一切的記憶有關。

林區的研究,代表了探討學習與記憶神經基礎的新策略。他一反過去由行為開始逐步向細胞層次追溯的傳統方向,而從細胞生理與生化歷程導出一個假說,再回到行為上去檢定。這種研究的取向,使心理學以外的其他的生物科學在了解行為機制上,扮演日益重要的角色,同時也為純粹研究細胞生理與生化的學者,開拓了一個新領域。林區的貢獻,將來可能成為學習與記憶生理研究的里程碑。但他以審慎的態度指出,這並非一切學習與記憶的神經機制。

在哺乳類的腦中,有些區域,如小腦,並不會因鈣離子的影響而改變其麩胺酸受體。小腦亦尚未證實能產生長期增益作用,然而小腦卻為古典式條件學習形成的一個關鍵區域。在若干爬蟲類、兩棲類、鳥類的腦中,鈣離子也沒有增加麩胺酸受體的能力,但這些動物並不缺乏學習與記憶的能力。事實上,科學家已發現其他學習的細胞機制。如甘德(Kandel)等人研究出海蝸牛(aplysia)因經驗而產生的行為改變,乃是由於神經末稍的離子管道,在經驗的影響下有所改變,從而導致神經傳導物質釋放的增加或減少。

記憶像夾心巧克力?

歐頓曾經把記憶比做夾心巧克力。一盒夾心巧克力中有不同的大小和形狀,每個巧克力裡面包著不同的糖心。記憶也有不同的形式與特徵,裡面蘊藏著不同的消息。面對這個複雜的現象,自十九世紀末以來,要以單一的神經部位或神經機制來解釋記憶現象的想法,已不切實際。今天研究學習與記憶的工作者所面臨的問題是:究竟有多少種學習與記憶的方式?要先為所有形式的記憶——找出其機制呢?還是先從幾個已知的機制中,去尋找一些共通的原則?

附註:本文由七十三年在台大講演之講演稿整理改寫而成。文中資料多來自G. Lynch, J.L. McGaugh, N.M. Weinberger (ed.), Neurobiology of Learning & Memory, Guilford, New York, 1984.

梁庚辰任教於台灣大學心理系

 

 

 
   

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