學習記憶的生物實驗

學習記憶的生物實驗

學習和記憶是高等動物和人類適應(yīng)自然環(huán)境的最重要方法。對人類來說，學習和記憶主要是適應(yīng)社會環(huán)境的方法。多年來生理、心理及精神醫(yī)學科學都試圖通過生理心理實驗和臨床實踐,去發(fā)現(xiàn)和闡明學習記憶的惱機制和它的本質(zhì)存在,從而達到更好地駕馭學習記憶這一重要活動的目的。對學習和記憶的生物實驗研究,當今已成為最令人矚目的課題之一。本文試就學習記憶的動物實驗以及人體病理手術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)等方面做些介紹,以期在探索學習記憶腦機制的深層理論方面,起一推波助瀾的作用。一、低等動物的學習行為和提取物傳遞記憶的實驗人類揭示腦功能機制的奧秘,是從低等動物的實驗開始的。這個意向的形成,與考慮到低等動物實驗的特點和積極因素有關(guān)。即:(1)生命是進化的。學習記憶伴隨著進化的始終,探索低等動物原始學習記憶痕跡的模式,可以較好地掌握這一機制的形成和演化過程。(2)每一個行為事件即它的行動、感覺、思想等都相應(yīng)地在體內(nèi)發(fā)生一系列的物質(zhì)變化,包括神經(jīng)的、生物化學的和電學的變化。低等動物也具有這種特性。(3)實驗設(shè)計、操作比較簡便易行,活動范圍及靈活性均較大,便于觀察、測量和記錄。低等動物的實驗,使一些學者想到記憶可能以生物化學的形式儲存在腦內(nèi),每一種學習應(yīng)伴有獨特的生物化學變化。并促使他們想到,如果把受過訓(xùn)練的動物的提取物注射到未經(jīng)訓(xùn)練的動物中,有可能得到一個有機體的記憶直接傳遞給另一有機體的奇妙結(jié)果。雖然這方面的許多實驗從理論到結(jié)果存在著爭議和不一致性,但它們的科學意義又仍是十分重大的。觀察低等動物的學習行為和用提取物傳遞記憶的實驗是美國的神經(jīng)生物學家和生理心理學家從本世紀六十年代開始的。他們從低等動物的神經(jīng)反射和生活習性中,提出了一定的假設(shè)或推測,希望通過實驗設(shè)計和精細操作求得真正的發(fā)現(xiàn)。這一時期,最先進行的是對單細胞動物和軟體動物,如對扁蟲、草履蟲、海兔(海螺)等的研究。對扁蟲的實驗,是想把記憶的痕跡傳遞或是遷移至另一同種動物的體內(nèi)。1962年,M.Connell用電流刺激扁蟲,加以“弱光”作條件刺激產(chǎn)生收縮反應(yīng)。扁蟲形成條件反射后將其切成碎片,喂食未經(jīng)訓(xùn)練的扁蟲。吃了它的肉的扁蟲學習同樣的條件反射比對照組的扁蟲要快。這一結(jié)果使學者們有興趣做出更多的類似實驗。如在1963年Zelmem把受過訓(xùn)練的扁蟲的RNA或蛋白質(zhì)提取物,注射到未經(jīng)訓(xùn)練的扁蟲的體內(nèi),發(fā)現(xiàn)它的學習速度加快。爾后的重復(fù)實驗也都有這樣的陽性結(jié)果。這樣的實驗結(jié)果雖然趨向一致,但在結(jié)論上引起很大的爭論和疑問。有的學者認為上述現(xiàn)象是低等動物的一種敏感作用,與高等動物的學習不能比較;但大多認為學習能力的提高是隨著某種物質(zhì)的傳遞或轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)的。這種物質(zhì)被認為是一種生化物質(zhì),但不能確定它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這類實驗涉及到“物質(zhì)提取”、“傳遞”、“遷移”等學習、記憶中最復(fù)雜最本質(zhì)的因素,因而它起到一個開創(chuàng)性的作用。它的重大發(fā)現(xiàn)和留下的難題,給未來的科研奠定基礎(chǔ)并讓更多的實驗去證實。最早學者們是把學習與種系發(fā)生聯(lián)系起來的,認為學習與突觸和細胞有著緊密的聯(lián)系。因此出現(xiàn)了“單細胞學習”的概念。支持這種理論的實驗研究是以單細胞動物草履蟲和變形蟲為對象的。它們沒有類似神經(jīng)元的專門化結(jié)構(gòu),但仍能通過細胞質(zhì)接受信息和傳達信息。不過單細胞動物的學習實驗尚不多見,很難取得成功的結(jié)果。有一個典型的實驗,是把草履蟲放在試管里,當它游到任何一端便會受到電擊,當它游回中間電擊就停止。多次嘗試,草履蟲似乎學會了避免電擊的行為,即當它們接近中間與兩端的分界線時,便馬上回到中間而不遭受電擊。這種現(xiàn)象看起來似乎是一種學習行為。但實驗者發(fā)現(xiàn)了這種行為反應(yīng)的實質(zhì)。他們除去了分界線內(nèi)的一種溶液和改變分界線,草履蟲又恢復(fù)到訓(xùn)練前的水平,失去了回避電擊的特征?？茖W家們檢測到溶液原來是草履蟲受到傷害刺激(電擊)時的代謝產(chǎn)物,是它們自己非常厭惡的,從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向行為。這種轉(zhuǎn)向反應(yīng)無先前的經(jīng)驗,是不需要學習的本能性防御功能。在單細胞動物實驗中,這是一種積極的嘗試,為神經(jīng)細胞的電極技術(shù)研究邁出了新步伐。(一)突變的學習理論低等動物的突觸在學習記憶中不是關(guān)鍵的。但它們的自身生理活動和功能傳導(dǎo)與突觸結(jié)構(gòu)有廣泛的聯(lián)系。學者們認為,無論哪一種動物,只要神經(jīng)系統(tǒng)有了發(fā)展,學習的神經(jīng)基礎(chǔ)就存在于突觸之中,因而提出了學習的突觸理論。這種理論的一個基本假定是學習不能建立新的通路,而是改變固定通路的感受性,提高信息傳遞的量值和速度。這實際上是學習的潛能和易化。易化的根源是突觸的變化。美神經(jīng)生物學家Hebb認為神經(jīng)元之間的突觸間隙在學習過程中是趨向縮小,自然使信息傳遞容易通過,而且只需釋放少量的化學遞質(zhì)即可影響附近的神經(jīng)元。參與學習過程的突觸在形態(tài)上出現(xiàn)自然增長和膨脹,則有利于突觸的電變化。(二)海兔的學習行為與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系單個神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習行為實驗,是企圖探索學習的最原始的最本質(zhì)的物質(zhì)存在和機制。這一實驗的開路先鋒是美國神經(jīng)生物學家肯特爾(Kandel,1970),他選用一種海洋生物——海兔(Aplysla,腹足類軟體動物,亦名海螺)做實驗,發(fā)現(xiàn)海兔對外界刺激有敏感的縮腮反射。于是細致地研究了海兔的學習行為與單個神經(jīng)元反應(yīng)以及電生理變化與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系。這個實驗的成功之處,是利用這種動物在細胞水平上揭示學習和記憶的某些基本過程?？梢宰粉櫟揭粋€與學習記憶相關(guān)的痕跡是如何在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中形成的。這對探索高級心理過程的本質(zhì)特征有重要的生物學意義。有必要指出,選用這種海洋動物并不完全出于偶然。因為多數(shù)學者意識到槍烏賊的巨大神經(jīng)在神經(jīng)生物電實驗中已取得巨大的進展,但要觀察學習的原始形成和基本過程,理應(yīng)選擇神經(jīng)元聯(lián)系比較單一而又具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動物。海兔具備如此特征,它的運動比槍烏賊遲緩得多,神經(jīng)元的數(shù)量少,沒有復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)和中間聯(lián)系,它的某些反射限于體表如腮、肛管和套膜棚的運動反應(yīng),從而便于觀察。應(yīng)該說,海洋的軟體動物是很多的,最終選擇海兔,無疑是經(jīng)過了許多篩選、比較和艱苦的實踐。二、應(yīng)用長時記憶的實驗近幾十年來,由于蛋白質(zhì)科學的深遠發(fā)展,為開展記憶功能的動物實驗奠定了理論基礎(chǔ)。使動物學習記憶的行為觀察進入微觀的分子水平。證明蛋白質(zhì)成串排列的多肽鏈的氨基酸分子,是在活細胞的核微粒小體內(nèi)完成核糖核酸(RNA)信息轉(zhuǎn)錄工作的。這也成了記憶信息儲存的一種重要機制和錄制環(huán)節(jié)。很多小動物實驗圍繞這一機理而進行。美國密歇根大學采用了脊椎動物金魚作為實驗對象。用蛋白質(zhì)合成阻斷劑——嘌呤霉素(PuRo)阻抑蛋白質(zhì)的合成來觀察金魚的學習記憶功能。即讓魚金接受特制梭箱亮燈加電擊的迥避反應(yīng),通過在金魚的訓(xùn)練前和訓(xùn)練后不同的時間內(nèi)注射PuRo,發(fā)現(xiàn):記憶的鞏固與PuRo的關(guān)系極大,并需要時間和環(huán)境。PuRo不阻礙學習中出現(xiàn)的短時記憶,但卻干擾長時記憶的鞏固;金魚長時記憶的形成,在訓(xùn)練后的早期處于PuRo的敏感階段,如把動物移開訓(xùn)練環(huán)境,仍可保持一定的記憶。這個實驗最重要的一點是證明PuRo干擾長時記憶的鞏固,說明長時記憶依賴于腦內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。金魚作為實驗的選用,是它非常普遍而適用,在實驗室可以大量供應(yīng)。它的學習能力強而靈活,并可保持長期記憶的特征,便于實驗的設(shè)計和控制。關(guān)于長時記憶這一點,曾有一些人提出疑問,但據(jù)許多心理學家和釣魚人提供的資料和信息,證明金魚的長時間記憶確實存在,因而開展此項實驗具有普遍意義。對于金魚和其他脊椎動物的研究,促使人們把學習和記憶看成是生物發(fā)展的一種形式。動物和人的腦內(nèi)布滿著由蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的遺傳物質(zhì)和聯(lián)系信息的網(wǎng)絡(luò)通路。在短時記憶中,對通路選擇非常迅速,但維持時間短暫,因此蛋白質(zhì)不起主要作用。如腦的乳頭體和海馬,僅保持著一種古老的記憶,也能進行新的學習,但不能形成新的長時記憶。長時記憶存在記憶鞏固的過程,要求腦的神經(jīng)通路和遺傳信息物質(zhì)有較持久的聯(lián)系。這樣,提出依賴蛋白質(zhì)的合成是極為科學合理的。因而得到了廣泛而深刻的實驗證明。既然蛋白質(zhì)的合成是長時記憶所賴以形成的決定性條件,那么腦內(nèi)是否存在“記憶物質(zhì)”呢?很顯然,蛋白質(zhì)可以被認為是“記憶的物質(zhì)基礎(chǔ),但這與“記憶物質(zhì)”是兩個完全不同的概念。很多學者設(shè)想腦內(nèi)存在一種有特定結(jié)構(gòu)的記憶物質(zhì)。如把蛋白質(zhì)核糖核酸具有特定堿基序列的RNA分子結(jié)構(gòu)看成記憶的編碼物質(zhì)。于是,圍繞這一命題開展了許多動物實驗。其中選用動物的對象多是哺乳類的小動物,如小白鼠、大鼠等。在這方面做得較多的實驗有:①“記憶移入實驗”。如把經(jīng)訓(xùn)練學會甩吊圈的小鼠腦中的RNA注射給未經(jīng)訓(xùn)練的小鼠,這小鼠也能不經(jīng)訓(xùn)練而甩吊圈;又如把對黑暗產(chǎn)生迴避反應(yīng)(電擊)的小鼠腦中RNA注射給其他小鼠,則也產(chǎn)生黑暗迴避反應(yīng),這是產(chǎn)生了一種“鞏暗素”的緣故。②記憶的相關(guān)試驗:主要在小白鼠的腦內(nèi)進行藥物和訓(xùn)練實驗。在于尋求RNA內(nèi)部變化和學習記憶之間的關(guān)系,尋求RNA的某種變量和參數(shù)與未經(jīng)訓(xùn)練的小鼠進行相關(guān)比較。這一實驗的結(jié)論,是較為局限的。雖然它可以表明RNA是某種系列學習行為的編碼,但還有許多實驗不能得出一致的結(jié)論,產(chǎn)生的歧見是否定RNA有更多的變化行為相關(guān)。③記憶操作方法實驗:這是根據(jù)兩種效應(yīng)去設(shè)計實驗。一是認為促進RNA的合成必能加強記憶儲存,二是認為抑制RNA的合成則會阻止記憶儲存。選用的動物多為小白鼠、大鼠、魚類等。采用的藥物用嘌呤霉素和乙酸環(huán)己基酰亞胺。瞟呤霉素可取代一個氨基酸的位置而阻礙蛋白質(zhì)分子多肽鏈的生長、乙酸環(huán)己基酰亞胺則只降低幾種氨基酸結(jié)合到一起的速度,它的劑量不到一微克即可使小鼠和金魚產(chǎn)生嚴重的可測量的記憶缺損。上述三種動物記憶實驗的生物學意義和心理實驗意義非常重大。雖然現(xiàn)今認為記憶物質(zhì)是不存在的,但從科學發(fā)展史的觀點來看,進行記憶物質(zhì)的實驗研究,對探索記憶的本質(zhì)存在和記憶的生物化學內(nèi)在因素都起過推動作用。應(yīng)當指出,這類實驗在全世界許多國家的生物學家和神經(jīng)生理學家無不爭相開展,但都并不能取得一致的結(jié)論。他們的實驗或許是系列的、反復(fù)地進行,但成功的廣泛性或交叉的認同性都比較低。這就必然阻礙了實驗研究的進展,無法取得較大的突破。因而這種實驗也可以被認為是孤立的局限的。但是這類實驗若從總體上進行系統(tǒng)構(gòu)想和設(shè)計,進行全面而深刻的配套和合作,在探索腦機能的復(fù)雜機制方面仍有深刻的發(fā)展意義。三、全息照象原則科學家們在研究腦的學習記憶機制的過程中,遭到了許多失敗。很多人因此而憂慮,認為未能為記憶痕跡找到生理證據(jù)是對心理學一個很大的沖擊。也認為記憶在腦的什么部位儲存和再現(xiàn),是一個極難知曉的秘密。但是腦的奧秘也如宇宙的奧秘一樣,總會被人們科學的實踐去發(fā)現(xiàn)和證明。在較長的科學探索實踐活動中,美國的實證主義學派是有過很大的貢獻的。這一學派以K.S.拉什利為代表,他畢生從事記憶神經(jīng)生理學的實證研究,成為神經(jīng)生理實驗和心理實驗的先驅(qū)。在拉什利實驗先驅(qū)的影響下,人們把實驗的對象越來越多地轉(zhuǎn)移到高等動物和人類本身。人們自然聯(lián)想到腦經(jīng)歷外傷和腦部病變后仍能生活并保持較好的學習記憶能力;神經(jīng)外科醫(yī)生將腦的一部分病變組織和外傷區(qū)域切割,仍能保存生命和腦的功能。這只能解釋為腦的感覺信息系統(tǒng)具有相當?shù)膬淞?并以“等勢”的“復(fù)份化”的模式分布于腦的整個系統(tǒng)。由于高等動物和人類的腦信息儲備能力是這樣復(fù)雜,因此進行高等動物和人類自身的實驗研究,有其特殊的作用。美國神經(jīng)外科學家K.H.普里布拉姆向傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗和流行的生理學家的觀點進行挑戰(zhàn),繼續(xù)深入地研究拉什利的記憶實驗學說。他和他的助手們用七年的時間完成一項靈長類猿猴神經(jīng)生理實驗,重點研究了950只猿猴學習作業(yè)和記憶作業(yè)的實驗過程,取得了豐富的神經(jīng)生理、心理方面的資料。他提出的“全息照象原則”是腦的信息儲存的最基本的原理。通過全息照片了解腦信息的分布,首先借助于相干激光來了解神經(jīng)元的活動過程,使信息以干涉或散射圖樣的形式轉(zhuǎn)錄在全息底片上。這是把一種最先進的現(xiàn)代技術(shù)——激光照象,運用于中樞神經(jīng)元的活動過程中。例如將激光束的某一“對照”部分同猿猴視覺情景或別的客體反射來的部分發(fā)生交互作用,形成全息照片的干涉圖樣。利用這一原理可以反映出記憶活動的其他方面。因而,在高等靈長類動物實驗中,這一實驗技術(shù)有其獨特的作用。全息原則在猿猴實驗操作中的運用,解釋記憶機理的主要方面包括:視網(wǎng)膜、外側(cè)膝狀體、視皮層信息的傳遞方式和加工過程;皮質(zhì)突觸電變化及重迭接點微結(jié)構(gòu)的交互作用;蛋白質(zhì)分子與信息輸入?yún)⑴c重建映象以達到信息的分配和儲存。不過這一技術(shù)有較大的局限性。它要在完整的動物實驗基礎(chǔ)上進行,不能完全揭示腦記憶的本質(zhì)。.對腦內(nèi)記憶的分配和再現(xiàn)這類本質(zhì)問題的探索,需要在靈長類即猿猴和人身上作大量的實驗和測查。K、H、普里布拉姆曾對數(shù)百只猿猴的皮質(zhì)后聯(lián)合區(qū)作種種切割手術(shù)。切割的型式