韋鈺

韋鈺，電子學(xué)專家，教育家，中國工程院院士，兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會主任，國家教育咨詢委員會委員。曾任教育部副部長、中國科協(xié)副主席

我們強(qiáng)調(diào)，腦本質(zhì)上是化學(xué)的信息處理系統(tǒng)。突觸間隙中發(fā)生的電—化學(xué)—電的信息轉(zhuǎn)變過程，是人腦和物理器件組成的計(jì)算機(jī)本質(zhì)的區(qū)別所在。在這里，介紹發(fā)生在突觸處有關(guān)記憶的過程，以加深大家對人腦信息處理系統(tǒng)特點(diǎn)的認(rèn)識。

我們常常只是短時(shí)間內(nèi)記住了有些事件和人物，事情過去就忘了。例如像會議上新遇見的人的名字、新?lián)艹龅碾娫捥柎a等。而對有些事件和人物會長期記住，例如，你親近的人的名字、經(jīng)常使用的電話號碼、常用的外文語句和數(shù)學(xué)公式等。這些長時(shí)記憶是我們學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

在 20 世紀(jì) 50—60 年代的認(rèn)知科學(xué)研究中，科學(xué)家按照記憶的時(shí)間長短對記憶進(jìn)行分類，將記憶分成感覺記憶、短時(shí)記憶和長時(shí)記憶。

感覺記憶保留的時(shí)間為毫秒到秒級，主要包括視覺圖像記憶、聲音記憶和觸覺記憶幾個(gè)部分。視覺記憶可以保持幾百毫秒；而聲音記憶保留的時(shí)間可以長至幾秒，甚至達(dá)到 20 秒。短時(shí)記憶可以保持幾秒到幾分鐘，它的容量大致為 7±2 個(gè)單元。例如，你需要臨時(shí)記住一個(gè)陌生的電話號碼，以便撥通，一般你能記住的位數(shù)是 7±2 位。如果你能把信息“打包”成信息組，你可以記住 7±2 組的信息。長時(shí)記憶能保存以天計(jì)，或是以年計(jì)的信息。

  圖1　認(rèn)知科學(xué)中的記憶框架

認(rèn) 知 科 學(xué) 家 Atkinson 和 Stiffrin在 20 世紀(jì) 70 年代提出了一個(gè)表述這 3種記憶關(guān)系的框架模型[1] 。

這個(gè)模型的不足之處是沒有考慮信息在腦中處理的過程。實(shí)際上，即使是短時(shí)記憶，也會在腦中有相應(yīng)的信息處理過程，處理加工的深度會影響到記憶的質(zhì)量。同時(shí)，短時(shí)記憶處理的內(nèi)容不僅可以直接來自于感覺記憶，也可以從已經(jīng)存儲在腦中的長時(shí)記憶里重新提取出來。因而，隨著對記憶研究的深入，Allan Baddeley 等提出了工作記憶的模型，以修正和補(bǔ)充上述短時(shí)記憶的模型[1] 。工作記憶也是短時(shí)記憶，例如，它的存儲時(shí)間剛好能讓你回答與你交談?wù)叩膯栴}。工作記憶模型包括3個(gè)部分：執(zhí)行中心以及 2 個(gè)從屬的感覺記憶的分系統(tǒng)——聲音回路與視覺—視覺空間初級處理暫存的畫面。執(zhí)行中心負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)感覺分系統(tǒng)和長時(shí)記憶之間的相互作用。在遇到新的情況時(shí)，這個(gè)中心也可以起到管理注意系統(tǒng)、調(diào)整感覺系統(tǒng)、協(xié)調(diào)和計(jì)劃行為的作用。工作記憶的執(zhí)行部位位于大腦的前額皮層，這個(gè)部位神經(jīng)元的工作狀態(tài)受神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺和谷氨酸的影響較大，也就是說它和情緒、食物、健康狀態(tài)，以及藥物服用等有關(guān)。工作記憶是有限容量的，它的容量隨兒童的不同發(fā)育階段而改變，不同人之間也有差異，有的認(rèn)知科學(xué)家用對工作記憶的評測，預(yù)示兒童智力的發(fā)育和差異。

圖2　工作記憶的框架

認(rèn)知科學(xué)中的這些研究并沒有涉及腦中具體發(fā)生的生物過程。在研究記憶的歷史上，一位匿名叫 H.M. 的病人為神經(jīng)科學(xué)中記憶的研究作了重要的貢獻(xiàn)。他因?yàn)橹委煱d癇病，切除了顳葉內(nèi)側(cè)皮層中包括海馬和海馬附近的區(qū)域。手術(shù)以后，他保留了離手術(shù)時(shí) 2 ? 3 年以前的記憶，也保留了其他的智力，但是失去了手術(shù)前 2 ? 3 年的記憶，而且更不幸的是失去了將短時(shí)記憶轉(zhuǎn)變成長時(shí)記憶的能力，無法再形成可陳述的長時(shí)記憶。即使是研究和治療他長達(dá) 40多年的醫(yī)生，每次進(jìn)入他的房間，可以和他正常談話，但是當(dāng)醫(yī)生走出房間再次進(jìn)入時(shí)，他已經(jīng)不記得上次的情景，不認(rèn)識醫(yī)生了，會把醫(yī)生當(dāng)作陌生人對待。 

圖3　分子層次上長時(shí)記憶形成的過程

神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展逐漸揭示了長時(shí)記憶形成的分子基礎(chǔ)。1791 年，Galvanic 用刺激青蛙腿神經(jīng)和肌肉的方法，揭示了神經(jīng)元激活的電學(xué)性質(zhì)。1906 年，Cajal 總結(jié)出有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)的重要原則—神經(jīng)系統(tǒng)是由不連續(xù)的神經(jīng)元組成的。1949 年 Hebb 提出了突觸學(xué)習(xí)的模型，這個(gè)模型被稱為“Hebb 定律”。1973 年，Bliss 和Lomo 第 1 次闡述了在哺乳動物的腦中存在的長時(shí)程增強(qiáng)機(jī)制（Long-Term Potentiation，LTP）。這些發(fā)現(xiàn)十分重要，它們奠定了在神經(jīng)生物學(xué)分子層次上研究記憶的基礎(chǔ)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)短時(shí)記憶和長時(shí)記憶的形成都和突觸中發(fā)生的變化有關(guān)，是由于神經(jīng)元之間突觸連接的強(qiáng)度增加了。由于來自外部或內(nèi)部的刺激，產(chǎn)生的電信號沿軸突傳遞到突觸處，激勵(lì)位于突觸前的含有神經(jīng)遞質(zhì)的小胞體，使它們釋放出神經(jīng)遞質(zhì)。神經(jīng)遞質(zhì)經(jīng)過突觸的間隙，和位于突觸后膜上的受體分子結(jié)合，使突出后的神經(jīng)元被激活，從而該突觸連接的強(qiáng)度被瞬間加強(qiáng)了，或是對后續(xù)信號的靈敏度被瞬間提高了，這時(shí)短時(shí)記憶就形成了。

如果刺激強(qiáng)度大，或是刺激的重復(fù)次數(shù)增加，會啟動位于細(xì)胞核中的轉(zhuǎn)錄因子 CREB。CREB 是一種特殊的蛋白分子，在短時(shí)記憶轉(zhuǎn)變成長時(shí)記憶中起到了關(guān)鍵的作用。CREB 一旦被激活，就會啟動細(xì)胞核中相應(yīng)的基因，啟動基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)過程，以產(chǎn)生出新的蛋白。這些新產(chǎn)生的加固突觸的蛋白，會從包圍神經(jīng)元核的細(xì)胞膜中溢出，在神經(jīng)元內(nèi)彌散，自動尋找到應(yīng)該加固的突觸。當(dāng)突觸的蛋白被加固了，這些突觸的連接的強(qiáng)化就被固定了，長時(shí)記憶就形成了（圖3[2] ）。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的長時(shí)記憶形成的分子機(jī)理用實(shí)證告訴我們，在我們腦中記憶的內(nèi)容是建構(gòu)的。這個(gè)建構(gòu)過程和外界刺激，既和我們的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，也和我們的基因有關(guān)，因此記憶過程是因人而異的。和所有的行為一樣，記憶也是先天基因和后天經(jīng)驗(yàn)相互作用、共同決定的。先天基因會影響人的記憶能力，在人之間會有差異，但是后天提供的學(xué)習(xí)經(jīng)歷也是很重要的。在神經(jīng)生物學(xué)中，學(xué)習(xí)可以定義為人或動物通過神經(jīng)系統(tǒng)接受外界環(huán)境信息而影響自身行為的過程，學(xué)習(xí)在腦中分子層次發(fā)生的過程是神經(jīng)元突觸處連接的變化。

腦內(nèi)長時(shí)記憶內(nèi)容的建構(gòu)過程又是連續(xù)的。我們學(xué)習(xí)新的知識，是在原有的記憶基礎(chǔ)上進(jìn)行的，已經(jīng)形成的記憶是由突觸中的蛋白結(jié)構(gòu)形成的，并不能簡單地抹去。功能核磁共振圖像也證實(shí)了新的記憶不會取代原有的記憶，只是會抑制原有的記憶[3] 。因此，我們強(qiáng)調(diào)早期兒童科學(xué)教育的重要，要盡可能早地幫助兒童建立正確的科學(xué)概念，而且這種建構(gòu)過程需要有一個(gè)逐步建構(gòu)的學(xué)習(xí)進(jìn)展過程，需要從兒童原有的概念出發(fā)，需要個(gè)性化教育，因材施教，才能有效。

學(xué)習(xí)科學(xué)的概念是這樣，學(xué)習(xí)其他的知識和獲得其他的能力也是這樣。人在出生以前神經(jīng)元突觸之間的聯(lián)系就開始建構(gòu)了，而在出生以后的最初幾年里，腦的發(fā)育很快，突觸連接的建構(gòu)過程十分重要。兒童早期的建構(gòu)過程是從低級功能到高級功能的連續(xù)過程，在這個(gè)過程中，對不同的功能會呈現(xiàn)一些不同的建構(gòu)敏感期，即在這個(gè)特定的時(shí)期里，兒童某種功能的建構(gòu)比較有效。兒童生而具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力和好奇心，特別是對他們周圍的事物。家庭、學(xué)校、同伴社區(qū)和文化都是兒童學(xué)習(xí)的環(huán)境，兒童有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)應(yīng)該在教師的指導(dǎo)下，在有利的環(huán)境和學(xué)習(xí)共同體中主動地進(jìn)行。兒童是學(xué)習(xí)活動的中心。

依靠對腦長期記憶形成分子機(jī)理的了解。幫助我們了解和計(jì)劃如何能讓兒童更有效地學(xué)習(xí)。人的一些基本需要能夠滿足時(shí)，如睡眠、饑餓等，記憶就可以較好地形成。情緒對形成記憶有很大影響，特別是恐懼。人在恐懼的情況下，一些神經(jīng)元會變得“靜寂”，而無法工作，缺乏睡眠、饑餓、恐懼和長期的精神壓力會減低兒童學(xué)習(xí)的效率。感覺記憶有 2 個(gè)相對獨(dú)立的回路，來自聽覺和視覺，形成長時(shí)記憶時(shí)，如何有效地運(yùn)用這 2 個(gè)系統(tǒng)是需要研究的，特別在提高第 2 外語學(xué)習(xí)的效率方面。

如何用重復(fù)學(xué)習(xí)的方法形成長時(shí)記憶，多少次數(shù)、間隔時(shí)間應(yīng)該多長等等許多問題還尚待研究。長時(shí)記憶的形成和突觸處的神經(jīng)遞質(zhì)有關(guān)，特別是其中的多巴胺和谷氨酸有關(guān)。現(xiàn)在有些醫(yī)藥公司開始提供一些聲稱能提高記憶能力的藥品，主要就是通過服藥，改變突觸處的神經(jīng)遞質(zhì)濃度，達(dá)到提高記憶能力的目的。這類措施引發(fā)了科學(xué)家對科學(xué)倫理的激烈討論——能否允許，長期的影響如何，怎樣區(qū)分用于治療和用于提高記憶能力的界限等，都是我們面臨的急需解決的難題。