🧠 脑科学实验室 Vol.11
欢迎来到IDG资本脑科学实验室！可能大家都知道，形成记忆本身需要能量，而大脑能量有限。在之前的脑科学实验室文章里，我们曾经讲过这么一个突破常识的知识：大脑其实每时每刻都在选择遗忘，目的是为了给真正重要的事物记忆腾出空间。而神奇的不止于此，实际上我们一些对过去有意义的事情的记忆，可能会引发我们对未来相关事件的感知能力，并促使我们能够记住更多关于它们的信息。希望今天的文章能对你理解大脑理解人类，有所启示。
全文共计2670字
阅读时间约3min
记忆帮助我们回忆过去，调整注意力，并提高日后的学习能力。过去人类和动物的相关研究表明，记忆可以改变我们对未来事件的感知、看法以及对它们的关注度。加州大学旧金山分校的神经科学家洛伦·弗兰克（Loren Frank）说：“我们知道，过去的经历会改变未来的一些事情，但是具体如何影响并不是很清楚。”
发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的一项新研究给出了回应。研究人员以蜗牛为实验样本研究“旧记忆如何影响动物对未来相关事件形成新的长期记忆”，研究发现，可以通过改变蜗牛对这些事件的感知来实现这一目的。
加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的细胞生物学家大卫·格兰兹曼（David Glanzman）之前并没有参与这项研究，但他表示“将过去的学习如何影响未来学习的现象‘归结为单细胞现象’，用一个简单的有机体来试图理解高级动物的复杂行为现象，这是一个很有吸引力的研究。”
虽然蜗牛是一种相当简单的生物，但这一新发现使科学家们理解人类等高级动物长期记忆的神经基础更近了一步。
这项新研究的第一作者、苏塞克斯大学（University of Sussex）高级研究员迈克尔·克罗斯利（Michael Crossley）说：“尽管我们通常没有意识到这一挑战，但长期记忆的形成是‘一个令人难以置信的能量过程’。”长期记忆依赖于我们在神经元之间建立的新突触连接，而脑细胞需要增加神经元数量以及促进单个神经元增长才能长出做到这一点。因此，为了节约资源，大脑必须能够判断什么时候值得付出代价来形成记忆，什么时候不值得。克罗斯利说，无论是人还是一只小蜗牛，都是如此。
在最近的一次采访中，克罗斯利拿出了一只这样的蜗牛，一只拇指大小的软体动物。克罗斯利博士说蜗牛的大脑“很漂亮”，虽然蜗牛的大脑比我们的大脑简单得多，但有一些关键的相似之处。人类的大脑有860亿个神经元，而蜗牛的神经元只有20000个，但每个神经元都比人脑神经元大10倍。这些巨大的神经元及它们清晰的脑回路使蜗牛成为神经生物学研究的热门对象。
克罗斯利称，这些小型觅食者同样也是“非凡的学习者”，它们在经过一次训练就能记住一些东西。在这项新研究中，研究人员深入蜗牛的大脑，以弄清楚它们获取记忆时，神经系统会发生什么。

01 唤起记忆

在实验中，研究人员对蜗牛进行了两种形式的训练：高强度训练和弱强度训练。在高强度训练中，研究人员首先向蜗牛喷洒香蕉味的水，但它对蜗牛并没有吸引力：刚开始它们会张开嘴吞下，但随后又会吐出来。然后，研究人员又给蜗牛喂糖，它们蜂拥而上，狼吞虎咽地吃个精光。
又隔了一天，他们再次对蜗牛进行了测试。结果表明，蜗牛从那次经历中学会了将香蕉味与糖联系起来。蜗牛似乎认为这种味道会令人向往，因为它们就更愿意吞下水。
相比之下，蜗牛并没有从弱强度训练中学习到这种积极的联系。在弱训练中，向蜗牛喷洒椰子味的水后，再喂给它们被水稀释过的糖，蜗牛只是不停地吞水再吐出来。
到目前为止，该实验基本上是蜗牛版本的巴甫洛夫条件反射实验的。在巴甫洛夫条件反射实验中，狗学会了听到铃声就分泌唾液。随后，科学家们用香蕉味的水对蜗牛进行高强度训练，数小时后再用椰子味的水对蜗牛进行弱强度训练。突然间，蜗牛从弱训练中也学会了吞咽。
当研究人员改变实验顺序，先进行弱强度训练时，它并没有带来任何改变。蜗牛形成的记忆仍然来源于高强度训练，但这并没有对早期记忆产生追溯性的强化效果。交换强弱训练中使用的口味也没有产生任何效果。
科学家们得出结论，高强度训练使蜗牛进入了一个“丰富学习”（learning-rich）时期”。在这个时期，记忆形成的阈值较低，使它们能够学习到它们在其他情况下学不到的东西，比如味道和糖分稀释之间的联系。这种机制可以帮助大脑在适当的时候将资源引导到学习上。这可以使蜗牛对附近潜在的食物来源更加警觉，可以提高它们对威胁的敏感性。
然而，这对蜗牛的影响十分短暂。高强度训练后，蜗牛的学习丰富期只持续了30分钟到4小时。在那之后，蜗牛在弱强度训练期间会停止形成长期记忆，这并不是因为它们忘记了强训练，只是记忆持续时间比较短。
克罗斯利说：“为强化学习设置一个关键窗口是有意义的，因为如果这个过程持续时间过长，那可能会对动物有害。”克罗斯利说，“因为小动物不仅可能需要投入过多资源来学习，甚至还可能学到对其生存有害的知识。”

02 观念改变

通过用电极探测，研究人员发现当蜗牛在训练中形成长期记忆时，它的大脑内部会发生什么。在训练过程中，蜗牛的大脑活动同时发生了两种变化：第一种是对记忆本身进行编码；第二种 是改变动物对其他事件的感知，它根据以往经验改变了动物看待世界的方式。
他们还发现，他们可以通过阻断多巴胺的作用来诱导蜗牛的感知发生同样的转变。多巴胺是一种大脑分泌的神经传导化学物质，它通过接受外界刺激控制神经元，使其不自觉地产生吞咽口水的动作。这次经历与之前实验中强训练产生了同样的传递效应：几小时后，蜗牛对弱训练也形成了长期记忆。
牛津大学（University of Oxford）的博士后佩德罗·雅各布（Pedro Jacob）并没有参与这项研究，但他表示该团队研究人员详尽而优雅地描绘了“新旧记忆相互作用的行为到神经元信号传递”的过程，了解这一机制是如何发生是一件有趣的事情，因为这种传递机制可能适用于不同物种。
不过，弗兰克并不完全相信，蜗牛在弱训练后没有摄入调味水就意味着它们没有记忆。他说，你可以有记忆但不对它采取行动，因此要区分这一点可能需要进行后续实验。
格兰兹曼说，软体动物和哺乳动物（如人类）的学习和记忆机制惊人地相似。克罗斯利说，据作者所知，这种确切的机制还没有在人类身上得到证实。他表示：“这可能是生物体中的一种普遍存在的特征，因此值得进一步关注。”
兰兹曼说，研究这种观念的转变是否能更持久，将是一件有趣的事情。他怀疑，如果给蜗牛一个厌恶刺激，而不是它们喜欢的东西，这可能也是可行的。
目前，克罗斯利和他的团队很好奇，很好奇这些蜗牛在执行多种行为，而不仅仅是张开或闭上嘴时，它们的大脑会发生什么。“这些是非常迷人的生物，”克罗斯利说，“你真的不能指望这些动物能够完成太过于复杂的事情。”
备注1：《量子杂志》是西蒙斯基金会出版的独立编辑刊物，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究发展和趋势，提高公众对科学的理解。
备注2：洛伦·弗兰克是西蒙斯基金会自闭症研究计划（SFARI）的一名研究员。西蒙斯基金会还资助《Quanta》使其成为一家编辑独立的杂志。资助决定对其覆盖范围并没有影响。
译者：Araon_
来源：神译局
本文转载自36氪神译局编译，观点不代表IDG资本立场
 往期脑科学实验室文章

继续阅读
阅读原文