记忆的物质基础(新)

1、记忆的物质基础陈定学提要：“人脑的记忆之谜”是最难破解的科学之谜之一，而记忆的 物质基础则是破解记忆之谜的关键。那么，记忆的物质基础究竟是什 么呢？ 一百多年来，神经科学家们提出了各种各样的解释，本文对这 些解释一一进行了评析。本文重点论述了作者所提出的“记忆本质假 说”，假说不仅对记忆的物质基础做出了明确的回答，而且对“人脑的 记忆之谜”也做出了新的解释。文章最后还对记忆所涉及的一些问题, 如人脑的信息存储量问题、长期记忆的奥秘以及遗忘的本质与机理等 也做出了解释。记忆是大脑将获得的信息存储和读出的过程，通过记忆，大脑不 仅可以牢牢地记住信息（存储），而且还可以将这些信息回忆或再现 出来（读

2、出），所以信息的存储与读出是记忆的两大特征。人类的大 脑具有十分强大的记忆功能，人脑不仅可以记忆浩若烟海的信息，而 且还能把一些信息记忆数十年，甚至上百年之久。大脑中的许多神经 结构和化学物质都参与了记忆活动，通过这些活动，大脑完成了信息 的存储与读出。那么，在这众多的神经结构和化学物质中，究竟是哪 一种东西最后存储了记忆的信息？究竟是哪一种东西把记忆的信息保 存了数i年，甚至上百年之久？究竟是哪一种东西使信息的存储和读 出得以实现？脑科学家们把这些问题归纳为一个问题记忆的物质基础问题，那么，记忆的物质基础究竟是什么呢？千百年来，这个问 题一直是一个深邃难解的谜，人们无法确定记忆的物质基础，对

3、记忆 也无法做出科学的解释。2005年7月1日，在纪念美国科学杂志 创刊125周年之际，科学家们列出了 125个迄今仍无法破解的科学之 谜，同时还列出了 25个最难破解的谜，而“人脑的记忆之谜”就属于最 难破解的科学之谜之一。一、神经科学家们的观点人脑中的信息要想长期记忆和保存，首先必须具有自己的载体， 这个载体就是记忆的物质基础，或者说神经基础。假若没有物质基础 或载体，信息就会成为虚无缥缈的空中楼阁，根本无法存在。记忆的 信息就隐藏在物质的载体之中，假若我们能找到这些物质载体，那么, 我们就有可能破解“人脑的记忆之谜”，所以记忆的物质基础就成了破 解“人脑记忆之谜”的一个关键。那么，记忆的

4、物质基础究竟是什么呢？ 千百年来，哲学家、心理学家、神经科学家以及计算机科学家们都从 不同的角度进行了探索，提出了各种各样的观点与解释，由于篇幅所 限，本文重点介绍神经科学家们的观点。长期以来,尤其是1872年意大利医生高尔基发现神经元之后的一 百多年来，大多数神经科学家都把注意力集中于神经元，许多神经科 学家都认为，神经元或神经元z间的线性联系就是人脑学习记忆的物 质基础。例如著名的神经组织学家cajal就认为，学习过程可能产生 持续性的神经细胞间连接的形态学变化，这种持续性的变化可能是学习记忆的神经基础。俄国著名神经生理学家巴甫洛夫也认为，神经元 之间所建立的新的联系是学习与记忆的物质基础

5、。也有不少神经科学 家认为，神经元与神经元之间环状排列的联系（神经回路）是学习与 记忆的物质基础。还有一些科学家认为，单个神经元的响应或多个神 经元之间的编码是学习与记忆的物质基础，例如科学家巴罗就认为， 脑是通过单个神经元的响应来表示某一对象被感知的，也就是说他认 为单个神经元是学习与记忆的物质基础；另外一些神经科学家如鲁尔 斯、hebb等则认为，脑是通过神经元的“群体编码”或“群疏编码”来表 示事物信息的，也就是说多个神经元z间的群体编码是学习与记忆的 物质基础。在当前的脑科学或神经科学领域，有相当多的神经科学家 和计算机科学家都认为，大量的神经元所组成的“神经网络”或“神经元 集群”就是

6、人脑中信息表达和记忆的物质基础。总之，有相当多的科学 家都认为，神经元或神经元之间的各种联系或组合就是记忆的物质基 础。神经元或神经元之间的各种联系或组合真的就是记忆的物质基础 吗？作者认为，神经元以及神经元的各种联系或组合，在大脑的思维 过程中确实发挥着重要的作用，但是，由于神经元之间的各种联系与 组合都是一种暂时的、动态的组合，当一个具体的思维过程结束之后, 神经元之间的这种联系与组合就会停止，所以在一个具体的思维过程 中，神经元之间的各种联系与组合其实都是一个极其短暂的过程。正 是因为神经元之间的各种联系与组合是一种极其短暂的过程，所以这个短暂的过程一旦结束，神经元之间的联系与组合就不复

7、存在了；如 果连它们自身都不存在了，那它们又如何去长期存储和记忆脑内的信 息呢？这无疑是一个致命的缺陷，也正是由于这个致命的缺陷，它们 只能短暂地携带信息，而不能长期存储信息，所以它们也就很难充当 记忆，特别是长期记忆的物质基础。在当前的脑科学或神经科学领域中，“突触热”方兴未艾，许多科 学家都认为，突触的“可塑性改变”就是记忆的物质基础。突触的可塑 性真的是记忆的物质基础吗？作者在破解大脑之谜一一精神分子论 一书中曾经对突触进行过专门探讨，作者认为突触只是神经元的一个 “话筒”，它的作用仅仅是信号转换，所以我们不能对突触寄予太多的 期望。况且神经递质在突触释放后很快就会失活，它作用的时间很短

8、; 即使是突触的长时程增强现象（ltp）其时间也不过数小时、数天或 数周之久，而脑的长期记忆则可达数年、数十年甚至终生，所以突触 很难把脑内的信息保存数年、数十年甚至终生。根据以上分析，我们 认为突触的可塑性改变也不可能是长期记忆的物质基础。在神经元的活动过程中，电信号也发挥着十分重要的作用，什么 是“电信号”呢？在神经细胞的内外存在着一些带着不同电荷的离子， 例如钾离子、氯离子以及钠离子等，当这些离子流动时神经细胞就会 产生动作电位，而这些动作电位就形成了电信号。由于电信号中荷载 着神经元的许多信息，所以在神经元的活动以及神经元的通讯过程中, 电信号都发挥着十分重要的作用，神经元的许多信息都

9、是以电信号的方式传导的。既然电信号在神经元的活动以及神经元的通讯过程中发 挥着十分重要的作用，那么电信号是否能够充当记忆的物质基础呢？ 有的科学家就认为，神经元的放电现象例如神经元的“平均放电速率” 或“放电定时”，是学习与记忆的物质基础。作者认为，虽然电信号确 实在神经元的活动以及神经元的通讯过程中发挥着重要的作用，但它 也无法充当记忆的物质基础，这是因为电信号也是一个转瞬即逝的过 程，当离子停止了流动之后，当放电停止之后，电信号就消失了，如 果连它自身都消失了，那它又如何长期地存储脑内的信息呢？又如何 充当记忆的物质基础呢？前面我们曾提到科学家巴罗，他提岀过“祖母细胞”的假设，他认 为人脑

10、中存在着一个对应于祖母的细胞即“祖母细胞”，而脑止是通过 单个神经元的响应来表示某一对象被感知的，也就是说他认为单个神 经元是信息的“神经对应物”或记忆的物质基础。单个神经元能够充当 记忆的物质基础吗？作者认为巴罗的假说存在着两个困难: 我们知 道神经细胞由胞体、树突与轴突三部分组成，作为一个整体它如何去 存储复杂的信息呢？人脑中的信息极其复杂，而单个神经细胞的整体 结构则比较单一，它很难变化出复杂的花样来表达、记忆各种复杂的 信息；脑内的神经元尽管数目浩大，但是脑所存储的信息量几乎是 没有穷尽的，如果一个细胞表达一个信息，那么脑内的细胞恐怕根本 就不够用。况且成年人脑内每天大约有10万个神经

11、细胞死亡，这样就 会导致大量的信息丢失，这也是与脑的实际情况不相符的。根据以上分析，我们认为单个神经元也很难充当记忆的物质基础。我们能够确定的事实是,许多记忆的信息都能在人脑屮长期保存, 有些甚至能够保存几十年，甚至上百年之久，所以记忆的物质基础必 须具备长期存储信息的功能。人脑中的许多神经结构及神经活动虽然 也能够短暂地携带或传递信息，但由于它们无法长期地存储、保存信 息，所以它们很难充当记忆的物质基础。我们可以通过一个例子来说 明这个问题，虽然交谈、打电话也能方便快捷地记录并传递信息，但 重要的文件、合同、论文、著述以及遗嘱却很少采用这些方式，而是 采用文字、录音、影象等方式把重要的信息记

12、录下来。重要的文件、 合同等为什么一定要采用文字、录音、影象的方式记录信息呢？其原 因就是因为文字、录音、影象等方式能够把这些重要的信息长期保存 下去，而交谈、打电话却是一个短暂的过程，一旦这个过程结束了， 其中的信息就荡然无存了。大脑也是如此，为了保存重要的信息，它 必然会选择那些能够长期保存的神经结构或化学物质，而决不可能选 择那些转瞬即逝的东西。需要指出的是，虽然我们认为电信号、突触、神经元以及神经元 的组合不可能是记忆的物质基础，但并不是说这些神经结构或神经事 件是可有可无、无足轻重的。在大脑的活动中，它们都发挥着极其重 要的作用，每一个神经结构和神经事件的缺失或障碍，都会给大脑的 活

13、动带来巨大的，甚至是灾难性的影响。二、记忆的物质基础“记忆蛋白”通过以上探讨我们可以看出，电信号、突触、神经元以及神经元 的组合都不可能是记忆的物质基础，那么，记忆的物质基础究竟是什 么呢？经过数十年艰难探索，作者在破解大脑之谜精神分子论 一书中提出了“记忆本质假说”，对记忆的物质基础以及“人脑的记忆之 谜”做出了更为明确的解释：记忆是脑的一种功能，特定的蛋白质分子“记忆蛋白”是记忆 信息的载体，是记忆的物质基础，所以记忆的本质就是脑对“记忆蛋白” 的存储与利用。看了作者的结论，许多朋友可能都会感到困惑：蛋白质是人体中 最普通、最常见的生物分子，它怎么可能长期保存人脑中的信息呢？ 怎么能充当记

14、忆的物质基础呢？当然，作者所说的“记忆蛋白”并不是 一般的蛋白质分子，而是在记忆的过程中大脑神经元所合成的一种特 定的蛋白质分子，所以我们把它命名为“记忆蛋白”。“记忆蛋白”究竟 有什么特别z处，它为什么能够长期保存人脑中的信息并充当记忆的 物质基础呢？生命化学家王文清教授在宇宙地球生命一书中曾对 蛋白质能否作为信息的载体问题进行过论述：“蛋白质和核酸一样，是 一种高度量子简并性物质，或者说是一种高共振物质，具有巨量的、 强大相互作用的非偶电子云，以及有着很高的介电常数和出现三线激 发态等作为信息载体的共同特征。从化学的角度看，核酸和蛋白质都 是信息大分子，都是生物多聚体。信息吸收的本质是一些

15、分子对另一 些分子的识别，是由它们的相互作用决定的。生物体是化学机器，是以滋生分子为信号的。蛋白质在信息吸收和储存中起作用。”正是由于 蛋白质分子的结构特征，所以它具有良好的信息接受和存储功能，在 记忆的过程中，“记忆蛋白”可以接受记忆的信息，并把这些信息存储 到它的分子结构z中。正是由于“记忆蛋白”能够存储记忆的信息，所 以它就有可能充当记忆信息的载体，成为记忆的物质基础。人脑中记忆的信息不仅浩若烟海，而且各种各样、纷繁复杂，这 些小小的“记忆蛋白”能够记忆这么多复杂的信息吗？它们又是如何记 忆这些信息的呢？我们知道，蛋白质分子都是宙氨基酸小分子组合而 成的，一个个氨基酸小分子通过肽键结合起

16、来就构成了氨基酸序列即 “肽链”，而一条条肽链结合起来又构成了蛋白质分子。氨基酸序列和 蛋白质分子虽然都是一些普普通通的化学分子，但它们的分子结构却 变化多端、复杂多样，所以这些看似普通的化学分子却能够记忆复杂 而又高级的信息。科学家们曾经进行过测算，以20种、500个氨基酸 组合而成的蛋白质为例，它的排列方式就有可能达到20的500次方, 换句话说就是10的650次方，也就是在1()后面加上650个零！整个 宇宙所有的原子数量，也不过是在1后面加上79个零，那么可想而知, 20种氨基酸究竟能组成多少种蛋白质啊！所以通过氨基酸小分子的 不同排列组合，完全能够记忆人脑中的信息。不仅如此，蛋白质是

17、具 有确定构像的生物大分子，组成蛋白质的肽链数目差别很大，有的蛋 白质只有一条肽链，而有的却有几条、几i条甚至上百条。蛋白质的 结构也十分复杂，虽然它最基本的结构是链状的一级结构，但多条肽链还可以折叠盘曲从而形成二级、三级，甚至四级结构，所以蛋白质 分子的结构具有非常大的变化范围，正是由于蛋白质分子具有如此复 杂的结构，所以它能够记忆人脑中复杂的信息。“记忆蛋白”不仅能够存储人脑中的信息，而且还能让这些信息方 便地读出。由于记忆的信息就存储在“记忆蛋白”之中，所以当需要回 忆、应用这些信息的时候，大脑就可以以“记忆蛋白”为摹本复制、提 取其中的信息，并通过一定的方式把信息显示或再现出来。由于读

18、出 的信息是从“记忆蛋白”中复制出来的，所以记忆的信息能够准确无误 地回忆与再现。人脑是一个极其复朵的结构，它大致可以分成分子、突触、神经 元、神经回路、神经网络、系统及脑区等多个层次，而脑中的神经结 构更是多种多样，那为什么人脑在记忆的时候偏偏要采用蛋白质分子 作为记忆的物质基础呢？它为什么不采用其他的神经结构呢？这个问 题需要从人脑的进化中寻找答案，世界上原本并没有大脑，大脑是亿 万年进化的产物。大脑进化的过程其实就是生物适应外部环境的过程, 为了更好地适应环境，脑必须及时地调整自身的结构与功能，调整自 己的工作方式。如何调整自己的工作方式呢？所谓调整其实就是选择, 就是选择那些最有效、最

19、简约、最经济的工作方式，因为只有最有效、 最简约、最经济的工作方式才能更好地适应环境。记忆也是如此，大 脑一定会选择那种最有效、最简约、最经济的方式，而不可能去选择 那些过于复杂、效果不佳、耗能较大的方式。在信息的记忆方面，蛋白质分子具有许多得天独厚的优势，这些优势是：蛋白质分子是一种 相对稳定、具有确定构像的生物大分子，它具有比较稳定的结构，具 有一定的生命周期，这样人脑中的信息就有可能被保存，并有可能长 期保存下去。蛋白质分子体积很小，易于在脑中存储，而且易于提取, 易于传递，耗能又小，i分有利于脑的微观活动，所以通过蛋白质记 忆是一种十分有效、十分简约、十分经济的记忆方式。比较而言，神

20、经元之间的联系、神经回路、神经网络、电信号以及神经元震荡等大 都是一些比较复杂、耗能又大的工作方式，它们远不如蛋白质记忆有 效、简约、经济，所以脑在进化过程中极有可能会选择这种方式，正 如爱因斯坦所说的那样：“物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东 西”。最有力的证明就是生物对遗传信息的记忆，遗传也曾是一个长期 无法破解的科学之谜，在20世纪之前的漫长历史时期里，尽管哲学家、 神学家以及科学家们绞尽了脑汁，但却一直无法揭开这个谜，人们不 知道究竟是什么东西记忆、保存了生物的性状信息，是什么东西把生 物的性状信息一代又一代地传递下去。在20世纪50年代，这个生命 之谜终于被科学家们破解了，这时人们

21、才知道，原来记忆、保存生物 性状信息的就是脱氧核糖核酸分子，正是这些化学分子把生物的性状 信息一代又一代地传递下去，这就是说，生物在表达、记忆、传递遗 传信息的时候采用的也是分子方式，只不过这里使用的分子不是蛋白 质分子，而是脱氧核糖核酸分子。生物在表达、记忆、传递遗传信息的时候为什么也要采用分子方式呢？这说明分子方式确实是一种最有 效、最简约、最经济的方式，确实具有无法超越的优势。我们说蛋白质分子是记忆的物质基础，这并非是作者毫无根据的 猜测与想象，这个结论已经被脑科学的许多实验所证实。早在20世纪 的60年代，美国、加拿人、丹麦、瑞典等国的科学家就进行了有关记 忆机理的实验与研究，有许多实

22、验都提示，蛋白质分子的合成对记忆 的形成具有关键性的意义，长时记忆的形成需要有新的蛋白质分子合 成。最著名的实验是2000年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一坎德尔 (eric kandel)所进行的海兔记忆实验，实验发现，对海兔神经细胞 进行强刺激，可以形成几周的长期记忆，而形成长期记忆的原因正是 生成了新的蛋白质。通过以上探讨，我们就有可能对记忆的物质基础问题做出明确的 i'可答,在这众多的神经结构和化学物质冲1，是“记忆蛋白”最后存储了 记忆的信息，是“记忆蛋白”把记忆的信息保存了数十年，甚至上百年 之久，是“记忆蛋白”使信息的存储和读出得以实现。“记忆本质假说” 不仅对记忆的物质基

23、础做岀了明确的回答，而且对记忆信息的存储和 读出也做出了较为合理的解释，所以通过这个假说，我们就有可能对 “人脑的记忆之谜”做出新的解释，并有可能为破解这个科学之谜提供 新的思路和理论依据。三、对相关问题的解释上面我们探讨了记忆的物质基础，通过探讨我们得岀了这样的结论：特定的蛋白质分子“记忆蛋白”是记忆的物质基础，记忆的本 质就是脑对'记忆蛋白”的存储与利用。然而，记忆是一种十分复杂的 现象，它还涉及许多问题，我们尝试通过“记忆本质假说”对这些问题 也做出解释。我们在文章的开头曾经说过，人类的人脑具有丨分强人的记忆能 力，人脑可以记忆浩若烟海的信息。然而人脑是一个不大的器官，它 的体积

24、大约为14001500立方厘米左右，大脑皮层的体积也只不过 600立方厘米左右。既然人脑是一个不大的器官，那小小的人脑为什 么能够存储浩若烟海的信息呢？作者认为，问题的关键就在“记忆蛋 白”的体积，克里克先生在惊人的假说中曾对蛋白质和细胞的体积 进行过比较，他指出蛋白质的一般体积通常是细胞体积的10亿分之 一，这是因为蛋白质的体积十分微小，用光学显微镜都无法看到它们。 正是由于蛋白质的体积十分微小,而记忆的信息就存储在极其微小的 蛋白质分子中，所以小小的人脑就能存储浩若烟海的信息。我们在文章的开头还曾说过，人脑可以把一些信息记忆数十年， 甚至上百年之久。然而，蛋白质分子是有寿命的，它的寿命长则数月， 短的只有数秒钟，即使按最长的寿命数月计算，“记忆蛋白”也很难保 存几年、几十年，更不用说上百年之久了。既然“记忆蛋白”的寿命是 有限的，那为什么人脑中的记忆却能够保存那么久呢？作者认为，其 中的奥秘就是“记忆的加固”，所谓记忆的加固就是“记忆蛋白”的更新 和记忆信息的传递。大脑是通过意识性加固（例如回忆）与潜意识加固（例如做梦）两种方式对记忆的信息进行加固的，通过加固，“记忆 蛋白”不断更新，老的“记忆蛋白”寿终正寝了，新的“记忆蛋白”又