how we learn 第五章节选 记忆 学习的物质基础：营养对突触可塑的支持极限 （长文）

CHAPTER 5 Nurture's Share

我刚刚坚持了大自然对我们大脑构造的贡献——基因和自组织的相互作用。但是, 当然,养育也同样重要。大脑的早期组织并不是永远不变的:经验提炼并丰富了它。这是硬币的另一面:学习如何改变孩子大脑中的回路?

神经元、突触和它们形成的微电路是大脑可塑性的物质硬件:每次我们学习时,它们都会进行调整

随着我们的学习,所有这些元素都可以改变:突触的存在、数量和强度;树突棘的大小;树突和轴突的分支数量;甚至髓鞘片的数量,它隔离轴突并决定它们的传播速度。

在我们的一生中,我们的突触不断变化,这些变化反映了我们所学的东⻄。许多元素在学习过程中都会发生变化: 囊泡的数量、大小、受体的数量、效率,甚至突触本身的大小和形状....所有这些参数都会影响突触前电信息传递到第二个突触后神经元的强度——它们为学习的信息提供了有用的存储空间。

赫布学习：我们现在明白了为什么这种现象稳定了神经元活动:它加强了过去运行良好的电路。遵循赫布规则的突触变化增加了相同类型的活动再次发生的可能性。

突触可塑性由大量神经递质网络调节,特别是乙酰胆碱、多巴胺和血清素,这些神经递质信号表明哪些事件足够重要以至于需要记住。例如,多巴胺是与奖励相关的神经递质:⻝物、性、药物...如果你想知道:是的,甚至摇滚!多巴胺回路标记了我们热爱的一切, 47 我们“上瘾”的每一个刺激,并向大脑的其他部分发出信号,表明我们经历的是积极的,比我们预期的要好。另一方面,乙酰胆碱更普遍地附着在所有重要的时刻。其影响是巨大的。例如,你可以记住2001年9月11日你在做什么的细节,当你得知世贸中心袭击的时候,因为在那一天,一股神经递质的飓⻛冲过你的大脑回路,导致你的突触发生巨大变化。其中一个电路特别重要:杏仁核,一个主要由强烈情绪触发的皮层下神经元群,向附近的海⻢体发送信号,海⻢体储存我们存在的主要事件。以这种方式,突触修饰主要突出了我们生活中大脑情感回路认为最重要的事实。

随着突触记录和可视化技术的发展,支持突触可塑性在学习中作用的证据越来越多。

突触的变化恰恰发生在动物用来学习的回路中。当老鼠学会避开受到小电击的地方时,负责空间和情节记忆的海⻢体突触就会发生变化:海⻢体和杏仁核之间的连接为这种创伤经历提供了硬件支持。当老鼠被声音吓坏时,连接杏仁核和听觉皮层的突触也会发生类似的变化。6 此外,这些变化不仅仅是在学习过程中同时发生的:它们实际上似乎在其中起着因果作用。证据是,如果在创伤事件发生后的几分钟内,我们干扰了允许突触发生与学习相关的变化的分子机制,动物最终什么都不记得了

记忆

什么是记忆?以及它在大脑中的物理基础是什么?大多数研究人员同意以下解释,它区分了编码期和记忆期

先说编码。我们的每一个感知、行动和想法都依赖于特定神经元子集的活动(而其他神经元保持不活动甚至被抑制)。这些活跃神经元分布在大脑的许多区域,它们的身份决定了我们思想的内容。当我在椭圆形办公室看到唐纳德·特朗普时,有些神经元对他的脸(在下颞区)做出反应,有些对他的声音(在上颞区)做出反应,有些对他办公室的布局(在海⻢旁区)做出反应,等等。单个神经元可能提供一些信息,但整体记忆总是由几组相互连接的神经元编码。

我的大脑是如何记录它的?为了巩固这一事件,最近被激活的神经元经历了重大的物理变化。它们改变了相互连接的强度,从而增加了群体支持,使这组神经元更48 有可能在未来放电。一些突触在物理上变得更大,甚至可能被复制。目标神经元有时会⻓出新的刺、末端突起或树突。所有这些解剖学上的改变意味着在几个小时甚至几天内新基因的表达。这些变化是学习的物理基础:它们共同构成了记忆的基础。

一旦突触记忆形成,神经元现在就可以休息了:当它们停止放电时,记忆仍然处于休眠状态, 没有意识,但却铭刻在我的神经元回路的解剖结构中。未来,由于这些联系,一个外部线索(比如总统办公室的照片)可能足以在原始电路中产生一连串的神经元活动。这种级联反应将恢复与记忆形成时相似的神经放电模式,最终使我能够认出唐纳德·特朗普的脸。根据这一理论,每一次恢复的记忆都是一次重建:记忆是试图回放在过去经历中发生在相同大脑回路中的非常相同的神经元放电模式。

因此,记忆不能归属于大脑的一个区域——它分布在大多数(如果不是全部的话)脑回路中, 因为它们中的每一个都能根据频繁的神经活动模式改变突触。但并不是所有的电路都起到相同的作用。即使术语仍然模糊不清,并在不断发展,研究人员至少区分了四种记忆。

工作记忆

情节记忆：

海⻢体中的神经元似乎记住了每个事件的背景:它们编码事情发生的地点、时间、方式以及与谁发生的。它们通过突触变化储存每一集,这样我们以后就能记住。

最近的数据表明,海⻢体参与了各种快速学习。只要学习到的信息是唯一的,无论是一个特定的事件还是一个值得关注的新发现,海⻢体中的神经元都会给它分配一个特定的放电序列。

语义记忆:记忆似乎不会永远留在海⻢体。晚上,大脑回放它们,并将它们移动到大脑皮层的一个新位置。在那里,它们被转化为永恒的知识:我们的大脑提取我们经历过的经历中存在的信息,将其概括,并将其整合到我们庞大的世界知识库中。几天后,我们仍然可以记住总统的名字,而对我们第一次听到它的时间和地点没有丝毫记忆:从情节上看,记忆现在已经变成了语义。最初只是一个小插曲的东⻄被转化成了持久的知识,它的神经代码从海⻢体转移到了 相关皮层回路。12

程序记忆:

真突触和假记忆

一位诺⻉尔奖获得者,苏苏姆·通加瓦教授的团队已经在老鼠身上进行了篡改记忆的实验，重新激活一组有意义的神经元足以唤醒一段记忆,并将其与新信息联系起来。记忆完全可以被篡改；

法国研究人员卡里姆·本⻬纳(Karim Benchenane)成功地在老鼠睡觉时在它的大脑中植入了新的记忆。

学习工具对大脑的影响：

猴子甚至想出了如何用一个中等大小的耙子拉第二个更⻓的耙子给他,以便够到更远50 的⻝物。这种工具学习在大脑中引发了一连串的变化。大脑皮层的一个特定区域——前顶叶区域——的能量消耗增加了,这个区域是人类用来控制手部动作、书写、抓住物体或使用锤子或钳子的区域。新基因被表达,突触开花,树突和轴突树繁殖——所有这些额外的连接导致这只专家猴子的皮层厚度增加了23%。整个连接束也经历了戏剧性的变化:轴突来自与颞皮层连接处的一个不连续区域,⻓了几毫米,并侵入了前顶叶区域的一部分,该区域以前与这些神经元没有连接。

这些例子说明了大脑可塑性的影响在时间和空间上的延伸程度。大家一起复习一下要点。一组神经元在我们的大脑中被激活,它们为我们希望记忆的事件或概念编码。这个记忆是怎么保存的?一开始是突触,两个神经元之间的微观接触点。当它连接的神经元在短时间内被联合激活时,它的强度就会增加——这是赫布的著名规则:神经元一起发射,连接在一起。变得更强的突触就像一个提高生产力的工厂:它在突触前侧吸收更多的神经递质,在突触后侧吸收更多的受体分子。它的大小也会增加以适应它们。随着神经元的学习,它的形状也会改变。一种被称为“树突棘”的蘑菇状结构在树突上突触着陆的地方形成。如果有必要,第二个突触会出现,使第一个突触加倍。落在同一个神经元上的其他突触也得到加强

因此,当学习时间延⻓时,大脑的解剖结构最终会发生变化。随着显微镜技术的最新进展——特别是基于激光和量子物理的双光子显微镜带来的革命——突触和轴突按钮现在可以直接看到随着每个学习事件的发展而增⻓,就像春天的一棵树一样。当积累时,树突和轴突的变化可能是实质性的,大约在毫米级,并且它们开始通过磁共振成像在人类中被检测到。学习演奏音乐、阅读、玩杂耍、甚至在大城市开出租⻋都会导致大脑皮层的厚度和连接皮层区域的连接强度有明显的改善:大脑的高速公路随着我们使用的越多而改善。

突触是学习的缩影,但不是大脑变化的唯一机制。当我们学习时,新突触的爆炸通常会迫使神经元在轴突和树突上也生⻓额外的分支。远离突触的地方,有用的轴突用绝缘鞘——髓鞘——包围着自己,类似于缠绕在电线上使它们绝缘的胶带。轴突使用得越多,这个鞘形成的层就越多,从而使它绝缘得越来越好,允许它以更高的速度传输信息。

神经元甚至不是学习游戏中唯一的细胞玩家。随着学习的进展,他们的整个环境也发生了变化,包括周围滋养和治愈他们的胶质细胞,甚至为他们提供氧气、葡萄糖和营养的静脉和动脉血管网络。在这个阶段,整个神经回路及其支持结构都发生了变化。

一些研究人员质疑突触是所有学习中不可或缺的⻆色的教条。最近的数据表明,浦肯野细胞,小脑中的一种特殊类型的神经元,可以记忆时间间隔,突触在这个学习过程中起不了作用:这种机制似乎纯粹是细胞内部的。23时间维度是小脑的一种特殊功能,很有可能是使用不同的进化技巧存储在内存中的,这种技巧不是基于突触。每个小脑神经元本身似乎能够存储几个时间间隔,也许是通过其DNA中稳定的化学变化。

另一个研究前沿包括阐明这种学习诱导的变化,无论是否是突触,如何基于“思维语言”和现有概念的快速重组,实现人脑能够实现的最复杂的学习类型。正如我们所看到的,传统的人工神经网络模型为数百万个变化的突触如何让我们学会识别一个数字、一个物体或一张脸提供了一个合理的令人满意的解释。然而,对于神经网络中的突触变化是如何构成语言习得或数学规则的基础,没有真正令人满意的模型。从突触领域转移到我们在数学课上学习的符号51 规则,这在今天仍然是一个挑战。让我们保持开放的心态,因为我们远远没有完全理解大脑储存记忆的所有生物代码。

营养是学习的关键要素

2003年以色列劣质奶粉缺少维生素B1 导致儿童死亡 案例；多年后,恢复的这些儿童表现出严重的语言障碍，其他智力方面是正常的。

据估计,60至1000名以色列婴儿在出生后的头几个月里被剥夺了2至3周的硫胺素。恢复均衡饮⻝显然拯救了他们。然而,多年后,他们表现出严重的语言障碍。以色列心理学家Naama Friedmann在他们六七岁的时候测试了其中大约六十个。大多数人在语言理解和表达方面有巨大的缺陷。他们的语法特别不正常。在阅读或听到一个句子后,他们很难弄清楚谁对谁做了什么。对他们中的一些人来说,甚至像给绵羊命名这样简单的任务也很困难。然而,他们的概念处理似乎是完整的:他们知道如何将例如一团羊毛的形象与一只绵羊而不是狮子联系起来。在所有其他方面,尤其是智力方面(著名的智商测试),他们看起来很正常。

大脑可塑性既不是无限的,也不是神奇的:它是一个严格的物质过程,需要特定的营养和能量输入,甚至几周的剥夺都会导致永久性的缺陷。而且因为大脑的组织是高度模块化的,这些缺陷可能被限制在特定的认知领域,比如语法或词汇。

突触可塑性的力量和极限

在一个营养充足的大脑里,可塑性能走多远?它能完全重新连接大脑吗?大脑解剖会根据经验发生戏剧性变化吗?答案是否定的。可塑性是一个调节变量,是学习的基础,但受到各种遗传约束的限制和约束,这些遗传约束使我们成为今天的样子:固定基因组和独特经历的结合。

是时候告诉你更多关于尼科的事情了,这位年轻的艺术家的艺术我在第一章已经向你介绍过了。尼科只用一个大脑半球,即他的左脑,创作了他的精彩画作。在他三岁零七个月大的时候,他接受了一种叫做“半球形切除术”的外科手术,这是一种半球形切除术,旨在结束他毁灭性的癫痫。

尼科的可塑性显然是有限的:它被引导并在很大程度上局限于神经元回路,这与所有其他儿童的回路相同。当我们用一整套测试扫描尼科时,我们发现他已经设法将他所有的学习天赋融入了他完整的左半球,而没有打乱它通常的组织。事实上,所有传统的右侧功能都落在与它们通常位置对称的左半球位置上!例如,对面部有反应的皮层区域通常位于右颞叶, 现在位于尼科的左半球——但在一个非常精确的位置,与其通常的位置完全对称,这个位置通常(弱)被正常儿童的面部激活。因此,虽然他的大脑已经重组,但它仍然受制于一个人类共有的先前存在的组织的强大约束。

大脑可塑性的力量和极限从来没有我们考虑视觉能力时那么明显。毫不奇怪,尼科是偏盲, 这意味着他的视力分为两半:右半部分他看得很清楚(两只眼睛),左半部分他完全失明(两只眼睛)。每当他凝视某物时,右边的部分看起来正常,而左边是看不⻅的——他必须移动眼睛才能看到它。事实上,由于视觉路径的交叉,来自视野左侧的输入,通常会落在尼科的右半球,现在陷入了一个空白,无法处理。

同样重要的是要理解,当突触改变时,即使在神经元活动的影响下,也不一定是环境给大脑留下了印象。相反,大脑可以利用突触可塑性进行自我组织:它首先在没有任何环境输入的情况下,纯粹从内部产生活动模式,并结合突触可塑性使用这些活动模式来连接其回路。在子宫内,甚至在接受任何感觉输入之前,大脑、肌肉甚至视网膜就已经表现出自发活动(这就是胎儿在子宫内移动的原因)。神经元是可兴奋的细胞:它们可以自发地放电,它们的动作电位会自我组织成穿过大脑组织的巨大波动。即使在子宫中,神经元尖峰的随机波也流经胎儿的视网膜,并在到达皮层时,尽管它们不携带严格意义上的任何视觉信息,但这些波有助于组织皮层视觉地图。22因此,突触可塑性最初的作用不需要与外界的任何相互作用。只有在妊娠的最后三个月,随着已经形成良好的大脑开始适应内部和外部世界,先天和后天之间的界限才逐渐模糊。

甚至在出生后,与感觉输入无关的随机神经元放电继续流经大脑皮层。非常缓慢地,这种内源性活动在感觉器官的影响下进化。这个过程可以在“⻉叶斯大脑”的理论框架内得到精确的解释30最初的内生活动代表了统计学家所说的先验:大脑的期望,它在与环境发生任何相互作用之前的进化假设。后来,这些假设逐渐适应环境信号,因此在生命的几个月后,自发的神经元活动类似于统计学家所说的后验:大脑的概率分布已经改变,越来越接近地反映现实世界的统计数据。在大脑发育过程中,我们在神经元回路中携带的内部模型会随着每个模型从其感觉输入中汇编统计数据而得到完善。最终的结果是一个妥协,从我们以前的组织提供的内部模型中选择最好的内部模型。

什么是敏感期?

大脑不同区域的最佳学习时间是不同的。

许多大脑区域,可塑性仅在有限的时间间隔内达到最大,这被称为“敏感期”。它在童年早期开始,达到顶峰,然后随着年龄的增⻓逐渐减少。整个过程需要几年时间,并且因大脑区域而异:感觉区域在一两岁左右达到可塑性峰值,而前额叶皮层等高阶区域在童年晚期甚至⻘春期早期达到峰值。然而,可以肯定的是, 随着年龄的增⻓,可塑性下降,学习虽然没有完全冻结,但变得越来越困难

在儿童早期,突触的密度达到成人的两倍,并且只有在那时才慢慢降低。可塑性下降；

值得注意的是,这些突触过度产生和修剪的波动并不是同时在任何地方发生的。

初级视觉皮层,像其他感觉区域一样,比高级皮层区域成熟得快得多。组织原则似乎是通过冻结早期感觉区域的皮层组织来快速稳定大脑的输入,同时让高级区域在更⻓时间内保持开放。因此,大脑皮层较高的区域,如前额叶皮层,是最后稳定下来的:它们在⻘春期和以后继续变化。

在人类物种中,突触过度产生的峰值在视觉皮层的两岁左右结束,在听觉皮层的三四岁左右结束,在前额叶皮层的五到十岁之间结束。34

髓鞘形成,即轴突周围绝缘体的包裹,遵循相同的模式。35在生命的最初几个月,感觉区域的神经元首先受益于髓鞘的绝缘片。结果,视觉信息处理显著加速:在生命的前几周,从视网膜到视觉区域的信息传输延迟从四分之一秒下降到十分之一秒。36这种隔离在到达投射到额叶皮层的纤维束时要慢得多,额叶皮层是抽象思维、注意力和计划的所在地。

多年来,幼儿拥有一个混合大脑:他们的感觉和运动回路非常成熟,而他们的高级区域继续以无髓回路的低速运行。因此,在他们生命的第一年, 他们需要比成年人⻓四倍的时间才能意识到基本的信息,比如一张脸的存在

与突触过度产生和髓鞘形成的连续波同步,学习的敏感期根据所涉及的大脑区域在不同的时间打开和关闭。早期感觉区域是最先丧失学习能力的区域之一。对人类和动物研究得最好的例子是双目视觉。38为了计算深度,视觉系统融合了我们双眼的信息。然而,这种“双眼融合”只有在视觉皮层在一个明确的敏感时期从两只眼睛接收到高质量的输入时才会发生,这个时期对猫来说持续几个月,对人类来说持续几年。如果在此期间,由于孩子患有严重的斜视,一只眼睛保持闭合、模糊或错位,那么负责眼睛融合的皮质回路就无法形成,由此产生的损失是永久性的。这种被称为“弱视”或“懒眼”的疾病必须在出生后的头几年矫正,最好是在三岁之前——否则视觉皮层的连线将永远受损。

成年人学习能力下降,但从未真正达到零。成年后,不同人群获取知识的能力有显著差异。

语言学习为人类的敏感期提供了一个极好的例子,无论是语音还是语法。这也很好地说明了大脑的模块化:虽然语法和语言的声音冻结了,但其他功能,如学习新单词及其含义的能力,在一生中仍然是开放的。正是这种残余的可塑性让我们在任何年龄都能学习新词的含义,比如传真、iPad、迷因和极客,甚至是幽默的新词,比如askhole(不停问愚蠢、无意义问题的人)或椅柜(我们穿的那堆衣服放在椅子上,而不是壁橱或梳妆台上)。对于词汇习得, 幸运的是,我们的成年大脑在一生中继续表现出一定程度的孩子般的可塑性——尽管词汇回路不遭受敏感期的生物学原因目前尚不清楚。

突触必须打开或关闭

突触可塑性为什么会闭合?有什么生物机制打断它?敏感期的开启和关闭的起源是当代神经科学的一个主要研究课题。45敏感期的关闭似乎与兴奋和抑制之间的平衡有关。在儿童中, 兴奋性神经元迅速有效,而抑制性神经元则逐渐发展。一些神经元含有一种叫做“细小白蛋白”的蛋白质,逐渐被一种叫做“神经束网”的硬基质包围,这种网格变得越来越紧,最终阻止突触的生⻓或移动。纠缠在这个刚性的网中,神经回路不再自由变化。例如,如果我们可以通过应用药物如氟⻄汀(更广为人知的是百忧解)来释放这种束缚中的神经元,突触可塑性可能会恢复。这是中⻛治疗的巨大希望之源,在中⻛治疗中,患者必须利用脑部病变周围的保留区域重新学习他们失去的能力

感知层面的神经元网络冻结比较早，生命早期习得的感知习惯会保留很久。

尽管学习发生得越早越容易,但如果认为一切都取决于这个敏感时期,那将是大错特错的。不,大多数学习不会在三年前发生。对我们来说幸运的是, 我们的大脑在更多的年份里保持柔韧。在童年早期的幸福时期之后,神经可塑性减弱,但从未消失。随着时间的推移,它慢慢减弱,从外围感觉区域开始,但高级皮层区域在我们的一生中保持着适应的潜力。这就是为什么许多成年人在五六十岁时成功地学会了演奏乐器或说第二语言。这也是为什么教育干预有时会创造奇迹,尤其是当它们快速而强烈的时候。重新适应训练可能无法恢复句法运动的所有微妙之处或对汉语声调的感知,但它将成功地把一个有⻛险的孩子转变成一个有成就感和责任感的年轻人。

但是如果早期学习敏感期被非常严重的剥夺，也会造成终身影响。

第六章........