学习记忆的生物实验

学习记忆的生物实验

学习和记忆是高等动物和人类适应自然环境的最重要方法。对人类来说，学习和记忆主要是适应社会环境的方法。多年来生理、心理及精神医学科学都试图通过生理心理实验和临床实践,去发现和阐明学习记忆的恼机制和它的本质存在,从而达到更好地驾驭学习记忆这一重要活动的目的。对学习和记忆的生物实验研究,当今已成为最令人瞩目的课题之一。本文试就学习记忆的动物实验以及人体病理手术的研究发现等方面做些介绍,以期在探索学习记忆脑机制的深层理论方面,起一推波助澜的作用。一、低等动物的学习行为和提取物传递记忆的实验人类揭示脑功能机制的奥秘,是从低等动物的实验开始的。这个意向的形成,与考虑到低等动物实验的特点和积极因素有关。即:(1)生命是进化的。学习记忆伴随着进化的始终,探索低等动物原始学习记忆痕迹的模式,可以较好地掌握这一机制的形成和演化过程。(2)每一个行为事件即它的行动、感觉、思想等都相应地在体内发生一系列的物质变化,包括神经的、生物化学的和电学的变化。低等动物也具有这种特性。(3)实验设计、操作比较简便易行,活动范围及灵活性均较大,便于观察、测量和记录。低等动物的实验,使一些学者想到记忆可能以生物化学的形式储存在脑内,每一种学习应伴有独特的生物化学变化。并促使他们想到,如果把受过训练的动物的提取物注射到未经训练的动物中,有可能得到一个有机体的记忆直接传递给另一有机体的奇妙结果。虽然这方面的许多实验从理论到结果存在着争议和不一致性,但它们的科学意义又仍是十分重大的。观察低等动物的学习行为和用提取物传递记忆的实验是美国的神经生物学家和生理心理学家从本世纪六十年代开始的。他们从低等动物的神经反射和生活习性中,提出了一定的假设或推测,希望通过实验设计和精细操作求得真正的发现。这一时期,最先进行的是对单细胞动物和软体动物,如对扁虫、草履虫、海兔(海螺)等的研究。对扁虫的实验,是想把记忆的痕迹传递或是迁移至另一同种动物的体内。1962年,M.Connell用电流刺激扁虫,加以“弱光”作条件刺激产生收缩反应。扁虫形成条件反射后将其切成碎片,喂食未经训练的扁虫。吃了它的肉的扁虫学习同样的条件反射比对照组的扁虫要快。这一结果使学者们有兴趣做出更多的类似实验。如在1963年Zelmem把受过训练的扁虫的RNA或蛋白质提取物,注射到未经训练的扁虫的体内,发现它的学习速度加快。尔后的重复实验也都有这样的阳性结果。这样的实验结果虽然趋向一致,但在结论上引起很大的争论和疑问。有的学者认为上述现象是低等动物的一种敏感作用,与高等动物的学习不能比较;但大多认为学习能力的提高是随着某种物质的传递或转移而出现的。这种物质被认为是一种生化物质,但不能确定它的结构和性质。这类实验涉及到“物质提取”、“传递”、“迁移”等学习、记忆中最复杂最本质的因素,因而它起到一个开创性的作用。它的重大发现和留下的难题,给未来的科研奠定基础并让更多的实验去证实。最早学者们是把学习与种系发生联系起来的,认为学习与突触和细胞有着紧密的联系。因此出现了“单细胞学习”的概念。支持这种理论的实验研究是以单细胞动物草履虫和变形虫为对象的。它们没有类似神经元的专门化结构,但仍能通过细胞质接受信息和传达信息。不过单细胞动物的学习实验尚不多见,很难取得成功的结果。有一个典型的实验,是把草履虫放在试管里,当它游到任何一端便会受到电击,当它游回中间电击就停止。多次尝试,草履虫似乎学会了避免电击的行为,即当它们接近中间与两端的分界线时,便马上回到中间而不遭受电击。这种现象看起来似乎是一种学习行为。但实验者发现了这种行为反应的实质。他们除去了分界线内的一种溶液和改变分界线,草履虫又恢复到训练前的水平,失去了回避电击的特征。科学家们检测到溶液原来是草履虫受到伤害刺激(电击)时的代谢产物,是它们自己非常厌恶的,从而产生转向行为。这种转向反应无先前的经验,是不需要学习的本能性防御功能。在单细胞动物实验中,这是一种积极的尝试,为神经细胞的电极技术研究迈出了新步伐。(一)突变的学习理论低等动物的突触在学习记忆中不是关键的。但它们的自身生理活动和功能传导与突触结构有广泛的联系。学者们认为,无论哪一种动物,只要神经系统有了发展,学习的神经基础就存在于突触之中,因而提出了学习的突触理论。这种理论的一个基本假定是学习不能建立新的通路,而是改变固定通路的感受性,提高信息传递的量值和速度。这实际上是学习的潜能和易化。易化的根源是突触的变化。美神经生物学家Hebb认为神经元之间的突触间隙在学习过程中是趋向缩小,自然使信息传递容易通过,而且只需释放少量的化学递质即可影响附近的神经元。参与学习过程的突触在形态上出现自然增长和膨胀,则有利于突触的电变化。(二)海兔的学习行为与神经网络的联系单个神经元及神经网络的学习行为实验,是企图探索学习的最原始的最本质的物质存在和机制。这一实验的开路先锋是美国神经生物学家肯特尔(Kandel,1970),他选用一种海洋生物——海兔(Aplysla,腹足类软体动物,亦名海螺)做实验,发现海兔对外界刺激有敏感的缩腮反射。于是细致地研究了海兔的学习行为与单个神经元反应以及电生理变化与神经网络的联系。这个实验的成功之处,是利用这种动物在细胞水平上揭示学习和记忆的某些基本过程。可以追踪到一个与学习记忆相关的痕迹是如何在神经网络中形成的。这对探索高级心理过程的本质特征有重要的生物学意义。有必要指出,选用这种海洋动物并不完全出于偶然。因为多数学者意识到枪乌贼的巨大神经在神经生物电实验中已取得巨大的进展,但要观察学习的原始形成和基本过程,理应选择神经元联系比较单一而又具备神经网络的动物。海兔具备如此特征,它的运动比枪乌贼迟缓得多,神经元的数量少,没有复杂的神经网和中间联系,它的某些反射限于体表如腮、肛管和套膜棚的运动反应,从而便于观察。应该说,海洋的软体动物是很多的,最终选择海兔,无疑是经过了许多筛选、比较和艰苦的实践。二、应用长时记忆的实验近几十年来,由于蛋白质科学的深远发展,为开展记忆功能的动物实验奠定了理论基础。使动物学习记忆的行为观察进入微观的分子水平。证明蛋白质成串排列的多肽链的氨基酸分子,是在活细胞的核微粒小体内完成核糖核酸(RNA)信息转录工作的。这也成了记忆信息储存的一种重要机制和录制环节。很多小动物实验围绕这一机理而进行。美国密歇根大学采用了脊椎动物金鱼作为实验对象。用蛋白质合成阻断剂——嘌呤霉素(PuRo)阻抑蛋白质的合成来观察金鱼的学习记忆功能。即让鱼金接受特制梭箱亮灯加电击的迥避反应,通过在金鱼的训练前和训练后不同的时间内注射PuRo,发现:记忆的巩固与PuRo的关系极大,并需要时间和环境。PuRo不阻碍学习中出现的短时记忆,但却干扰长时记忆的巩固;金鱼长时记忆的形成,在训练后的早期处于PuRo的敏感阶段,如把动物移开训练环境,仍可保持一定的记忆。这个实验最重要的一点是证明PuRo干扰长时记忆的巩固,说明长时记忆依赖于脑内蛋白质的合成。金鱼作为实验的选用,是它非常普遍而适用,在实验室可以大量供应。它的学习能力强而灵活,并可保持长期记忆的特征,便于实验的设计和控制。关于长时记忆这一点,曾有一些人提出疑问,但据许多心理学家和钓鱼人提供的资料和信息,证明金鱼的长时间记忆确实存在,因而开展此项实验具有普遍意义。对于金鱼和其他脊椎动物的研究,促使人们把学习和记忆看成是生物发展的一种形式。动物和人的脑内布满着由蛋白质分子构成的遗传物质和联系信息的网络通路。在短时记忆中,对通路选择非常迅速,但维持时间短暂,因此蛋白质不起主要作用。如脑的乳头体和海马,仅保持着一种古老的记忆,也能进行新的学习,但不能形成新的长时记忆。长时记忆存在记忆巩固的过程,要求脑的神经通路和遗传信息物质有较持久的联系。这样,提出依赖蛋白质的合成是极为科学合理的。因而得到了广泛而深刻的实验证明。既然蛋白质的合成是长时记忆所赖以形成的决定性条件,那么脑内是否存在“记忆物质”呢?很显然,蛋白质可以被认为是“记忆的物质基础,但这与“记忆物质”是两个完全不同的概念。很多学者设想脑内存在一种有特定结构的记忆物质。如把蛋白质核糖核酸具有特定碱基序列的RNA分子结构看成记忆的编码物质。于是,围绕这一命题开展了许多动物实验。其中选用动物的对象多是哺乳类的小动物,如小白鼠、大鼠等。在这方面做得较多的实验有:①“记忆移入实验”。如把经训练学会甩吊圈的小鼠脑中的RNA注射给未经训练的小鼠,这小鼠也能不经训练而甩吊圈;又如把对黑暗产生迴避反应(电击)的小鼠脑中RNA注射给其他小鼠,则也产生黑暗迴避反应,这是产生了一种“巩暗素”的缘故。②记忆的相关试验:主要在小白鼠的脑内进行药物和训练实验。在于寻求RNA内部变化和学习记忆之间的关系,寻求RNA的某种变量和参数与未经训练的小鼠进行相关比较。这一实验的结论,是较为局限的。虽然它可以表明RNA是某种系列学习行为的编码,但还有许多实验不能得出一致的结论,产生的歧见是否定RNA有更多的变化行为相关。③记忆操作方法实验:这是根据两种效应去设计实验。一是认为促进RNA的合成必能加强记忆储存,二是认为抑制RNA的合成则会阻止记忆储存。选用的动物多为小白鼠、大鼠、鱼类等。采用的药物用嘌呤霉素和乙酸环己基酰亚胺。瞟呤霉素可取代一个氨基酸的位置而阻碍蛋白质分子多肽链的生长、乙酸环己基酰亚胺则只降低几种氨基酸结合到一起的速度,它的剂量不到一微克即可使小鼠和金鱼产生严重的可测量的记忆缺损。上述三种动物记忆实验的生物学意义和心理实验意义非常重大。虽然现今认为记忆物质是不存在的,但从科学发展史的观点来看,进行记忆物质的实验研究,对探索记忆的本质存在和记忆的生物化学内在因素都起过推动作用。应当指出,这类实验在全世界许多国家的生物学家和神经生理学家无不争相开展,但都并不能取得一致的结论。他们的实验或许是系列的、反复地进行,但成功的广泛性或交叉的认同性都比较低。这就必然阻碍了实验研究的进展,无法取得较大的突破。因而这种实验也可以被认为是孤立的局限的。但是这类实验若从总体上进行系统构想和设计,进行全面而深刻的配套和合作,在探索脑机能的复杂机制方面仍有深刻的发展意义。三、全息照象原则科学家们在研究脑的学习记忆机制的过程中,遭到了许多失败。很多人因此而忧虑,认为未能为记忆痕迹找到生理证据是对心理学一个很大的冲击。也认为记忆在脑的什么部位储存和再现,是一个极难知晓的秘密。但是脑的奥秘也如宇宙的奥秘一样,总会被人们科学的实践去发现和证明。在较长的科学探索实践活动中,美国的实证主义学派是有过很大的贡献的。这一学派以K.S.拉什利为代表,他毕生从事记忆神经生理学的实证研究,成为神经生理实验和心理实验的先驱。在拉什利实验先驱的影响下,人们把实验的对象越来越多地转移到高等动物和人类本身。人们自然联想到脑经历外伤和脑部病变后仍能生活并保持较好的学习记忆能力;神经外科医生将脑的一部分病变组织和外伤区域切割,仍能保存生命和脑的功能。这只能解释为脑的感觉信息系统具有相当的储备力,并以“等势”的“复份化”的模式分布于脑的整个系统。由于高等动物和人类的脑信息储备能力是这样复杂,因此进行高等动物和人类自身的实验研究,有其特殊的作用。美国神经外科学家K.H.普里布拉姆向传统的经典实验和流行的生理学家的观点进行挑战,继续深入地研究拉什利的记忆实验学说。他和他的助手们用七年的时间完成一项灵长类猿猴神经生理实验,重点研究了950只猿猴学习作业和记忆作业的实验过程,取得了丰富的神经生理、心理方面的资料。他提出的“全息照象原则”是脑的信息储存的最基本的原理。通过全息照片了解脑信息的分布,首先借助于相干激光来了解神经元的活动过程,使信息以干涉或散射图样的形式转录在全息底片上。这是把一种最先进的现代技术——激光照象,运用于中枢神经元的活动过程中。例如将激光束的某一“对照”部分同猿猴视觉情景或别的客体反射来的部分发生交互作用,形成全息照片的干涉图样。利用这一原理可以反映出记忆活动的其他方面。因而,在高等灵长类动物实验中,这一实验技术有其独特的作用。全息原则在猿猴实验操作中的运用,解释记忆机理的主要方面包括:视网膜、外侧膝状体、视皮层信息的传递方式和加工过程;皮质突触电变化及重迭接点微结构的交互作用;蛋白质分子与信息输入参与重建映象以达到信息的分配和储存。不过这一技术有较大的局限性。它要在完整的动物实验基础上进行,不能完全揭示脑记忆的本质。.对脑内记忆的分配和再现这类本质问题的探索,需要在灵长类即猿猴和人身上作大量的实验和测查。K、H、普里布拉姆曾对数百只猿猴的皮质后联合区作种种切割手术。切割的型式