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如果婴儿期的记忆对我们至关重要,那我们为何会遗忘它?

“谈及生命中最初那些年的记忆,我们无一不是遗忘症患者。”

导  读

海马体的存在不但让我们建立起关于空间的认知地图,还表明我们关于过去的记忆正是建立在认知地图上的。

撰文 | M. R. O’Connor翻译 | M.W. 校对 | 里昂责编 | Orange Soda

乔恩(Jon)是个26周的早产儿,出生时体重仅0.91千克,无法自己呼吸。起初的两个月里,他都被放在保温箱中,但他最终还是顺利地度过了婴儿期和幼儿期。四岁时,他有过两次癫痫发作。大概一年后,他的父母开始注意到,乔恩无法记住日常生活中发生的事情。他记不起自己看过电视、在学校发生了什么、读过什么书。乔恩的智商是正常的,他能读写,在学校表现也还不错。他能记住事实,却记不住过往的情景。

等到乔恩19岁时,他找不到去任何地方的路,他也不记得熟悉的环境、自己的东西放在哪里、以及两地之间的路线。

直到神经科学家用磁共振成像技术探察他的大脑时,那些奇怪表现的原因才终于被揭开。他们发现乔恩的海马体(颞叶深处的双侧脑区)异常地小,大约只有健康海马体的一半大小。而这似乎是由于婴儿时期的大脑缺氧(hypoxia)以及伴随其而来的惊厥*(convulsion)对海马体细胞造成了严重损伤,严重阻碍了海马体的正常发育。

*译者注 

惊厥(convulsion)是一种身体肌肉快速反复收缩和放松的医学状况,导致身体不受控制地摇晃。由于惊厥通常是癫痫发作的症状,因此术语“惊厥”常与癫痫发作(seizure)混用。

海马体——对空间认知和记忆至关重要,受儿童对环境的探索、在空间中的导航的经验影响 | 图源:Wikipedia

自1990年代以来,乔恩便已是诸多研究论文的研究对象了,但为了保护隐私,他的真实姓名并未公开。他的案例说明海马体在人体中起着至关重要的作用。海马体的存在不但让我们建立起关于空间的认知地图*、帮助我们记住位置并找到正确路线,还表明我们关于过去的记忆,即情景记忆正是建立在认知地图上的。

*译者注 

认知地图 (cognitive map)也称为心智地图或心智模型,是一种心智表征,它服务于个人获取、编码、存储、回忆和解码有关其日常或隐喻空间环境中现象的相对位置和属性的信息。

天普大学的心理学教授诺拉·S·纽科姆(Nora S. Newcombe)解释道,“海马体演化出了空间导航的功能。我们的一个猜测是,在我们演化的历史长河中,由于海马体的神经结构十分适宜情景记忆,于是被演化所 ‘劫持’ 了。”

而空间认知和记忆对人类的意义远超日常生存:它们形成了我们的自我感知。过去的记忆就像是我们个体身份的支柱;我们用它铸造了我们生活中的独特叙事。是这些故事塑造了我们的行动和决策,也为我们描画出对未来的遐想的框架。

最近的研究揭示了海马体在幼年和童年时期是如何发育的,而此时的神经回路正在逐渐成熟,新的细胞也通过放电将空间编码成了认知地图。而孩子对环境的探索、在空间中导航、自身运动(self-locomotion)的经验都会影响海马体的发育。

纽约大学神经科学中心的研究员阿莱西奥·特拉瓦利亚(Alessio Travaglia)说:“这是非常令人兴奋的发现,因为我们一般认为大脑的成熟只取决于时间和基因程序。但我们想说明的是,大脑的发育不是一个程序,它关乎经验。在纽约成长的婴儿和在沙漠或森林中长大的婴儿肯定会有不同的经历。”

这个关乎神经可塑性的发现令人着迷,但也敲响了警钟。儿科医生早已发出警告,儿童们玩耍的时间及其自由时间变少了,他们久坐不动的时间正变得前所未有地长。

一个多世纪以来,像乔恩一样记忆缺失的人们为科学家提供了一种研究记忆的新途径。科学文献中最著名的遗忘症案例或许就是H.M.了。他最先是一位癫痫患者,后来在1950年代,也就是他27岁时,他的部分颞叶被通过手术移除,他也因此失去了获取及提取情景记忆的能力。正是H.M.的案例使得科学家们发现,海马体是情景记忆的源头。

有意思的是,我们其实都像H.M.和乔恩一样。谈及生命中最初那些年的记忆,我们无一不是遗忘症患者。我们没法回忆起2岁以前的事情,而直到6岁以前的记忆也都十分粗略和不可靠。这个奇怪的现象叫作婴儿期遗忘(infantile amnesia),这之后是童年期遗忘(childhood amnesia)。几十年来,它们在人类及其他物种(从大鼠到灵长类)中的普遍存在一直都是个谜。

天普大学空间智力与学习中心的首席研究员纽科姆说,“大家都觉得人生最开始那两年太重要了。可是,如果我们都没法记住这两年,它们又是怎么个重要法呢?对于这个问题,我们确实有一些答案。但如果我们没有一个清晰干脆的答案,那意味着,我们对大脑的了解还是太少。”

 

西格蒙德·弗洛伊德命名了婴儿期遗忘,并将其解释为一种压抑(repression):大脑会避免婴儿时期的欲望和情绪进入成人的心灵,而心理治疗则可以再次通向那些欲望和情绪。后来一些针对婴儿期遗忘的解释都试图反驳弗洛伊德的看法,并提出另一种假设:语言习得让儿童有了长期记忆的能力。但也有其他表现出婴儿期遗忘的物种压根就没有发展出语言,因此这一观点的正确性仍存疑。

1978年,神经科学家林恩·纳德尔(Lynn Nadel)和约翰·奥基夫(John O’Keefe)出版了一本里程碑式的著作,《海马体作为认知地图》(The Hippocampus as a Cognitive Map)。它提出一个理论:这个形状像海马一样的大脑结构是大鼠、人类以及其他动物对环境进行表征的地方。这些认知地图为空间记忆、定向和导航提供了基础。值得注意的是,空间记忆系统正是从我们自传式的回忆中提取出了用于存储情景及叙事方式的素材。的确,我们对经验的记忆总是注入了时间-空间的背景。当我们回忆很久以前发生的事,我们就会进入一次精神上的时间旅行,将过去的事件发生的时间和地点在脑海中具象化。

奥基夫早期的一个发现支持了这个理论:大鼠的海马体中有一类他称之为位置细胞(place cell)的神经元,当动物处于陌生或熟悉的环境中,这类神经元都会放电。不同的位置细胞在一个环境中不同的地方活跃,并共同形成了认知地图。这项发现让奥基夫获得了2014年的诺贝尔奖*在他之后,其他科学家们又发现了海马体中其他用于空间记忆和导航的重要细胞。这些细胞包括:根据在水平面上我们的头部朝向何方而放电的头向细胞(head-direction cell),以及当我们在一个环境中漫步时放电并建立起坐标系的网格细胞(grid cell)**。移动、探索、陌生或熟悉环境中的经验都会让这些细胞放电。有证据表明,环境的丰富和复杂程度都会影响神经元的数量,进而影响海马体的体积。比如在1997年,就有研究者发现,在丰富环境***(纸管、筑巢用的纸条、滚轮以及可以重新排列的塑料管)中探索过的小鼠比对照组多长了4万多个神经元。这些新增加的神经元让它们的海马体的体积增大了15%,并且让它们在空间学习测试中的表现有了显著提高。研究者们总结道,是神经元、突触和树突数量增加的共同作用让这些动物们在测试中的表现大大提升。

*译者注 

*科学家John O'Keefe 、May-Britt Moser、Edvard I. Mosel于2014年因发现组成大脑定位系统(GPS)的特殊细胞的研究成果获得诺贝尔生理学或医学奖。

**头向细胞(head-direction cell)是在许多大脑区域中发现的神经元,只有当动物的头部指向特定方向时,它们的放电率才会增加到高于基线水平。

网格细胞(grid cell)是在动物大脑的内嗅皮层(entorhinal cortex)中发现的神经元。它和位置细胞的相似之处在于,当动物经过给定环境中的一个小范围区域时,二者都会发生强烈的放电;但与位置细胞不同,每个网格细胞都会在给定环境中的多个位置放电,放电的位置节点遍及整个环境,并形成六边形网格。

***丰富环境刺激(enriched environment stimulus)是指由于周围的复杂环境给大脑提供的物理和社会环境的刺激。大脑在更丰富、更刺激的环境中具有更高的突触发生率和更复杂的树突,导致大脑活动增加。

纳德尔说,在写书的过程中,他开始对海马体的发育过程感兴趣。其它的脑区在出生时就已经相对成熟,而海马体并非这样——不同动物的海马体成熟时间是不一样的。他说,“我们现在已经有了关于海马体功能的理论。但是如果海马体失灵了,会发生什么呢?简单来讲,就是失忆症(amnesia)。” 纳德尔的思路指引他联想到关于婴儿期遗忘的神经生物学解释。本质上来说,像乔恩这样的孩子是因为海马体没有发育完全,所以才无法储存记忆。

纳德尔在1984年发表的一篇论文中表述了这一假设。他与共同作者斯图尔特·佐拉-摩根(Stuart Zola-Morgan)共同提出,只有当一个生物体的大脑能够对地点进行学习后才可能有情景记忆,而婴儿期遗忘正发生于针对空间的海马记忆系统尚未出现的时候。

而如今,纳德尔却认为在这个假设中,不管是对婴儿期遗忘的定义,还是对海马体成熟过程的描述都太过简单化。但发育本身以及它与记忆之间的关系已经成为神经科学过去30年的议题中十分关键的一环。大脑是天生就能发育出空间和情景记忆系统的吗?还是说这一过程需要经历的参与?

行为神经科学家凯特·杰弗里(Kate Jeffery)在博士后期间与奥基夫共事,主要研究的是海马神经元,她说,“我认为该领域还在不断努力解决这些问题,但我们还没有得出确切的答案”。不过,她也解释道,截至目前为止的研究揭示了一个神奇的过程:头向细胞是最先活跃起来的,然后是位置细胞,最后才是网格细胞。因此,认知地图的这些组成零件对于哺乳动物的大脑来说虽然是与生俱来的,但哺乳动物的大脑还是有一个获取空间知识的时期,而这一时期可能会影响海马体之后的功能。

2010年,两个不同的研究团队都揭示了这个发展过程是如何发生的。他们在尚未断奶的大鼠脑中放置电极,在它们自由移动时记录海马体中单个神经元的放电。这两个团队一个来自挪威科技大学,另一个来自伦敦大学学院,二者都从大鼠出生的第16天开始记录了数百个头向细胞、位置细胞和网格细胞。

研究者发现,在幼年大鼠睁眼的几天后、开始离开巢穴探索环境之前,这三种细胞就都已经出现了。但是在这三种细胞之中,只有头向细胞是完全成熟的。幼鼠需要对环境进行几周的探索,然后位置细胞和网格细胞才会成熟。从这些数据中,两个团队得出结论:即使在形成认知地图的 “零件” 就位之后,空间学习的能力仍会持续提高。

 

神经科学家们结合了这些研究结果和灵长类动物及儿童的行为,来探寻这个过程在儿童大脑中是如何发生的。瑞士神经科学家皮埃尔·拉文克斯(Pierre Lavenex)和帕梅拉·班塔·拉文克斯(Pamela Banta Lavenex)提出,两岁左右时,负责在长期记忆中区分物体的海马体CA1区开始成熟并与婴儿期遗忘作斗争。而从之后几年的幼儿期开始一直到成年,可塑性极强的齿状回(dentate gyrus)仍会进行神经发生(neurogenesis,新神经元形成的过程),逐渐成熟并开始支持新记忆的形成。
7岁之前,儿童的海马体体积和他们的情景记忆能力有很强的关系—海马体越大,他们回忆事件细节的能力也就越强,而这也正是童年遗忘完全退散的年龄。

纳德尔说,“海马体不是某天突然出现的。但是它的功能确实是慢慢实现的;正是这个网络以及海马体各个部分内部的连接让你有了长期情景记忆。”

2016年夏天,纽约大学神经科学中心的一个研究团队在发表的文章中提到,他们发现海马体的发育极易受到学习的影响。该团队选择了两个阶段的幼年大鼠进行研究,一个是出生后的第17天,大致对应人类的2岁,另一个是出生后24天,大致对应了人6到10岁的这一阶段。通过测量海马体分子标记物的水平,他们发现了环境经历是如何正向影响海马体成熟的。此外,他们还通过增加或减少这些分子的水平操控大鼠的海马体快进到记忆保持(memory retention)的阶段或延长婴儿期遗忘。研究者还认为,婴儿期遗忘与关键期有关,而关键期是环境刺激对大脑可塑性的影响尤其活跃的阶段。上述研究的作者之一特拉瓦利亚说,“关键期是神经系统最为敏感的阶段,如果这时候它没有接收到正确的刺激,大脑的正常发育将会被阻碍。现在我们的假设是,人类的大脑在关键期也需要正确的刺激。这是对于获取记忆尤其关键的发展期。缺乏合适的刺激会导致认知和记忆上的不足。”除了环境本身,另外一个对于海马体来说十分重要的刺激可能就是自身运动了。2016年初,亚利桑那州立大学心理学教授阿瑟·格伦伯格(Arthur Glenberg)提出一个假设:当儿童开始爬行、走路时,婴儿期遗忘就开始消退了。格伦伯格与共同作者贾斯汀·海耶斯(Justin Hayes)提出,一旦婴儿脱离了成人的怀抱,开始在空间中自己探索,他们大脑中的位置细胞和网格细胞就会开始放电、对环境作出响应,并将婴儿探索的环境进行编码,最终形成情景记忆的框架。

格伦伯格过去20年的研究都聚焦在具身认知理论上,该理论认为,不论是有意识还是无意识的认知过程都离不开我们的身体,就像笛卡尔说的那样。我们在世界中的经验及思考都与我们的腿、胳膊、眼睛、耳朵、运动系统以及情绪系统的存在密不可分。格伦伯格说,“如果身体没有影响认知等能力的演化,那才不合理。我们不是计算机,我们是生物系统。我们不是被设定好的程序,而是演化的产物。我们应该把人类的认知看作是其他动物的认知能力之延伸。”

在一次关于儿童发展的学术会议中,格伦伯格灵机一动,具身化(embodiment)或能帮助他解开婴儿期遗忘的谜题,而且一些非常有趣的证据恰恰支持了他的这一假设。2007年,英国的一个研究小组发现,9个月大的婴儿爬行的开始与其认知水平上巨大的飞跃密切相关:他们的记忆检索能力更加灵活且成熟了。研究者们还发现,锻炼和自身运动能够提高小鼠的空间学习和神经发生水平。

不过自身运动开始的早晚似乎远没有儿童探索环境的程度重要;2014年,荷兰的研究者发现,在4岁之前,童年期探索环境程度更高的儿童拥有更强的空间记忆能力以及流体智力(fluid intelligence),也就是解决问题、总结规律以及逻辑的能力。

而格伦伯格的想法并不能解释为什么儿童从生命最初开始自身运动到6岁时拥有稳定的记忆能力要花上这么长时间。他提出,这可能是因为儿童需要足够丰富的空间探索及复杂认知地图建立的经验,来发育出像成人一样全面运作的海马记忆系统。格伦伯格说,“10个月大的婴儿可能知道他家附近的路,但如果让他从家走到公园就不太可能了。他们需要大量行走的经验来发育出复杂且相互关联足够多的一系列神经元来支持记忆。”纽科姆在一次学术会议上的演讲曾启发了格伦伯格的假设,而前者认为,虽然格伦伯格的想法还只是猜测,却正促使科学界往正确的方向发展。对她来说,海马体可塑性最为吸引人的一点是,我们对它的进一步理解很可能会指导对运动受限残疾儿童的治疗进展。如果我们在关键期为儿童提供能辅助自身运动的器械,会不会帮助他们获得认知技巧呢?2012年的一项研究显示,有严重运动缺陷的婴儿在使用定制的推车进行移动训练后,与对照组相比,他们在认知和语言测试中得分都更高。该研究中,一个7个月大、患有脊柱裂的婴儿在认知和语言技能上的进步速度甚至超过了在他的年龄应有的水平。

 

跟上一代人相比,现在的孩子们进行自由活动及户外运动的时间大大减少了。一项研究发现,在1981到1997年间,孩子们自由玩耍的时间减少了25%;另一项聚焦于西雅图的学龄前儿童的研究发现,孩子们一天70%的时间都在坐着。因此,尽管美国儿科协会建议每天至少做2小时体育活动,大部分孩子却没有这么多玩耍的时间。

根据我们对海马体发育、婴儿期遗忘以及空间认知三者之间关系的最新理解,除了要对抗肥胖以及多动症等问题,我们还要让孩子们有探索和建立认知地图的机会,因为他们的认知健康,也就是大脑中将通过各种方式不断影响自我感知的那部分正是有赖于这些机会才得以正常发育。大量数据表明,成瘾、创伤后应激障碍、精神分裂症以及阿兹海默症的发生都与海马体体积的下降有关。还有一些有意思的证据表明,大脑的空间认知能力中蕴涵着智力的奥秘。在2016年9月的《自然》中,一项针对5000名 “数学能力超常的青年” 持续45年的研究发现,这些人的专利数及经同行评审的期刊文章数量和他们在空间能力测试中的得分具有相关关系。该研究的负责人之一大卫·鲁宾斯基(David Lubinski)告诉《自然》期刊,“我认为(空间能力)可能是最为未知且未经开发的人类潜能。”

现在看来,婴儿期以及童年期遗忘其实是我们的大脑正在为经验学习打基础。虽然我们记不得那些早先的经验,但是他们最终塑造了我们成为真正的 “人”。纽康姆说,“这是我们理解人类心智和大脑及其发展的巨大事业中的重要一环,它意义重大。” 
 

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本文译文原载于《神经现实》,《知识分子》获授权转载译文。

原文链接:https://nautil.us/issue/40/learning/for-kids-learning-is-moving

 



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