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记忆神经迷信-即使他或其他人都不知道记忆是若何存储在大年夜脑中的

【蔡元培故居1.5亿】

新的技術和數據有效嗎?在很多神經科學家看來,研究的關鍵就是应用新技術獲得越來越多的精細數據,而這些數據總有一天能使得在細胞層面進行精確干預成為能够。但是要想懂得整個大年夜腦,一次實驗記錄了若干個神經元數據並不是至關重要的參數。與這些數據同樣重要的是科學家同時探測了若干個大年夜腦區域,這點乃至能够加倍重要。

“大年夜腦可不是一塊華夫餅,不是說這個格子負責處理空間,那個格子負責處理運動,還有一些小格子負責處理抑鬱,”拉米雷斯說,“大年夜腦花了40億年,才進化成這樣一盤相互糾纏的意麵,各部分之間以相當複雜的方法進行互動。大年夜腦中的每件事物都會與本身互動。”

尚在襁褓的神經科學在為整個大年夜腦的任务機制建立終極理論还没有取得進展的情況下,這些研究能夠取得冲破嗎?拉米雷斯說,他不敢保證。一方面,修複一個你还没有完全懂得的系統也是有能够的。“我是玩‘超級任天堂’和‘任天堂64’長大年夜的,我不知道為什麼有時候游戲機會逝世機,但每個人都會把卡帶拿出來,朝裡面吹吹氣,再把它插進游戲機,你知道吧?”他說,“或许這有點像是,假设你的筆記本電腦無法啟動了,或许逝世機了,你沒法重啟它或许進行任何操作,有時候你只需關掉落它就好了。你離開電腦,喝上一杯咖啡,然後再回到電腦前,發現居然又能開機了。你並不须要依附計算機科學來懂得剛纔所發生的一切,但你不知怎麼就修睦了它,你的辦法见效了。”

從1932年至1962年,丹麥籍物理學家尼爾斯·玻爾就曾在該學院任务,並憑藉在量子力學若何決定原子結構方面的貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。玻爾曾與阿爾伯特·愛因斯坦、維納·海森堡和J。羅伯特·奧本海默等科學界名流在該學院漫步和交换,探討奠定了核時代基礎的根本物理學問題。

但是,儘管科學家們也許能夠用越來越嫻熟的技能摸索大年夜腦的部分區域,但假设對大年夜腦沒有一個周全的懂得,沒有建立起對大年夜腦的正確理論(就像玻爾和他的同事們在哥本哈根別墅里構建的原子理論那樣),神經科學就只能取得漸進式進展,依然须要依附不斷地試錯,乃至须要一點運氣。

幾個世紀的醫學和實驗觀察构成了這樣一種印象,即人類經驗的很多特点來自负年夜腦的特定區域:在一根鐵棍揭穿了一個鐵路工頭的大年夜腦額葉後,他變成了一個性格浮躁的忘八;另外一個人被摘除海馬體後,無法再构成記憶;視覺皮層受損會讓你成為瞎子。

拉米雷斯是一個喜歡自嘲又善於社交的人,他的辦公桌上貼有一個標簽,寫著“世界上最棒的老闆”。他仿佛依然對人類能夠如此有效地操控大年夜腦认为弗成思議。在他辦公桌上方的高處有一個架子,擺著6個空喷鼻檳酒瓶,它們是慶祝重要論文發表或其他里程碑事宜的紀念物。當我在7月拜訪他的前一天早晨,一瓶新的喷鼻檳剛被開啟,因為美國國家衛生研究院剛授予他的實驗室團隊一筆為期5年的研究經費,那是他們極為欲望的。

周全懂得大年夜腦是一個急切的問題,因為人類社會已經被神經和心思疾病困擾已久,並且為此付出了極大年夜的本钱和精力。另外,有人宣稱人類大年夜腦可以被駕馭、被更新,可以與機器融合,乃至意識可以被上傳到永不休眠的雲端服務器中;而假设懂得大年夜腦這一問題依然懸而未決,這一切都無從談起。

布薩基信赖“從外向里”的框架強化了人們的誤解,認為大年夜腦是被動的,這有點像計算機——一個感知引擎從外部世界獲取安慰,再用某種內部模型表徵那些安慰,而這種模型能將被感知到的事物區分為好或壞,然後決定採取何種行為,由分担運動的各個大年夜腦區域協作執行。

這些都屬於此前從未有人探討的大年夜問題,而到今朝為止,我們最多只能說答案還是粗淺的、暫時的。

他的終極目標不用定是把光遺傳學運用到人類大年夜腦上——那须要通過基因工程改變人類的神經元,並將發光的激光發射器插進人類的腦袋里。相反,他想知道,小鼠記憶所触及的大年夜腦結構在多大年夜程度上與人類大年夜腦类似,並且這些結構在記憶中所發揮的感化在多大年夜程度上被低估了。假设真是這樣,我們就有能够研發藥物(或许改進現有藥物),瞄準那些區域中的細胞。拉米雷斯推測說,這些藥物或許可以重建或增強人們回憶的才能。也許它們還能與心思治療或其他療法結合起來,有效克制負面經歷帶來的創傷。

“我們正處在這樣一個時代,很多教條遭到了挑戰,這迫使我們必須拓寬思維的界线,”費爾霍爾說道,“我認為,儘管已經出現了一些曙光,但那個能夠整合一切的黃金新概念今朝依然沒有出現。”

即使我們还没有接近於建立大年夜腦的基礎理論,斯蒂夫·拉米雷斯(Steve Ramirez)認為,他和他的神經科學家同业們也許最終能找到一條正確的路徑,建立這樣的理論。所以,在與參加哥本哈根會議的某些科學家們交談之後,我來到了拉米雷斯的實驗室,他在這個實驗室里弄出了一些弗成思議的成果。

拉米雷斯和他最后的协作同伴劉旭(Xu Liu)第一次应用這項技術開關記憶時,他們瞄準了海馬體中的細胞。眾所周知,海馬體是哺乳動物記憶构成和存儲的區域。這項研究意義深遠。一切構故意智生活的無形體驗必定根植於有形的大年夜腦物理結構当中——即使我們接收了這一事實,要親眼看到意識的一個重要特点若何從大年夜腦中產生,這仍會令人认为不安。

我們须要更基礎的大年夜腦理論顯然,大年夜腦依然是很奥秘的東西。我們依然不清楚該若何治療阿爾茨海默病、精力决裂症,和其他會形成嚴重後果的神經掉調。科學家們乃至還不清楚抗抑鬱藥起感化或许常常不起感化的缘由是什麼。擺在參加哥本哈根會議的神經科學家們眼前的挑戰提示著他們,關於大年夜腦的問題有多麼艱深困難,即使腦科學已經成為我們這個時代最受追捧的科研前沿。

光遺傳學技術始於某種精细的基因工程技術。通過將一種病毒註射進動物的大年夜腦,科學家們可以有選擇性地修改特别類型的神經元,以便讓這些神經元對光脈衝產生敏感,並且在處於激活狀態時發光。激光發射器通過小鼠頭骨上的一個孔被拔出大年夜腦中,該發射器的開閉可以激活或克制神經元。同時,亮光也使得繪製哪些細胞在特定時間段處於激活狀態成為了能够。

探測大年夜腦的任何新对象都可以打開“一扇新的窗戶”,布薩基說,“但只要你能以不合的方法对待事物時,那扇新窗戶才有效。明天我可以做出比艾薩克·牛頓更周详的實驗,但那不克不及使我成為艾薩克·牛頓。”

假设你事前不知道拉米雷斯的實驗室從事的是記憶研究,你第一眼能够會把這裡誤認為某類科技創業公司。博士後、研究生,乃至少數幾個本科生研究員坐在小隔間的電腦前。但你只需轉個彎,就進入了一個潔凈的白房間。在那裡,你能看到一整個小鼠大年夜腦在試管底部漂浮,還能看到一臺機器,看起來仿佛是全球最精細的熟食切片機,它能將小鼠大年夜腦切成足夠薄的切片,供研究員放在載玻片上,用標準顯微鏡進行觀察。

幾十億美元的資金正在流入諸如美國的大年夜腦計劃、歐洲的人類大年夜腦項目和“中國大年夜腦”計劃之類的研究和神經技術項目。神經科學家們比来表露,他們通過操控20個神經元讓老鼠產生了幻覺。埃隆·馬斯克聲稱,他合营創辦並投入1億美金的Neuralink公司很快就可以將極其細微的“線”(電極探針)拔出人類大年夜腦,從而記錄至少1000個大年夜腦細胞的信息,而這是通往腦機心靈感應交互的重要一步。

毫無疑問,商量人類和實驗室動物大年夜腦的技術已經讓神經科學家們懂得了認知的某些面向,例如註意力和記憶是如安在電子信號和生物化學變化中體現出來的。

華盛頓大年夜學的計算神經科學家阿德里安·費爾霍爾(Adrienne Fairhall)指出,當科學家同時測量很多神經元在網絡程度的行為時,相對於參與个中的細胞和突觸的數量,這些神經元的行為形式“沒那麼複雜”。她說,我們應該有能够用公式或算法發現這些形式,就像描述其他複雜而動態的系統,比如人群或流體。

沿著大年夜廳有幾間如大年夜型衣櫃般大年夜小的房間,它們是從事光遺傳學實驗的处所。這種技術大年夜約2005年由斯坦福大年夜學的卡爾·戴瑟羅斯(Karl Deisseroth)實驗室開發,如今已經成為神經科學領域中廣泛应用的一種便宜的对象。在比来的讓老鼠產生幻覺的研究中,戴瑟羅斯也是領軍人之一。

但是风趣的是,他補充說,這種情況能够正在發生改變,因為神經科學家們即將周全懂得大年夜腦毕竟是什麼。

隨後,拉米雷斯和他的协作者又用另外一隻小鼠做實驗,他們事前在小鼠大年夜腦中植入了恐懼記憶,接下來他們不须要激活這段記憶,小鼠就對盒子產生了巨大年夜的恐懼。不過,拉米雷斯和他的协作者已經事前在老鼠大年夜腦中植入了恐懼記憶。然後,他們又把該記憶從大年夜腦中抹掉落。他們借用克裡斯托弗·諾蘭的科幻電影《盜夢空間》的名字,把這項研究稱為“盜夢項目”(Project Inception)。

根據上述觀點,假设埃隆·馬斯克的Neuralink公司能夠同時記錄1000個神經元信息,正如馬斯克在比来的公開活動中夸耀的那樣,這“對於製造腦機界面而言是一件非同尋常的任务”,布薩基說。神經科學家們驚訝於該公司是若何將三種技術融合在一路的:柔韌的電極、將電極註射進大年夜腦的裝置、在大年夜腦和設備之間成功傳輸數據的办法。但是除此以外,Neuralink公司的產品還有什麼其他用處呢?這就很難說了。記錄1000個神經元、乃至更多數量的神經元信息,並不用定能提醒出關於大年夜腦的新洞見。

時至昔日,嘉士伯基金會(位於嘉士伯學院)依然是舉辦科學會議和專題研討會的大年夜本營和後花園。本年5月,這裡召開了為期三天的會議,十幾位來自全球各地的科學家們集合在此,圍繞一個既令人著迷又令人困惑的根本問題分享本身的看法。這個問題之於他們,就像當年的量子力學之於玻爾,那就是:大年夜腦是若何任务的?

儘管這種觀點和其他不斷涌現的大年夜腦理論均假定,大年夜腦並非以神經科學家平日所想象的方法運轉,但它們很能够帶來了反直覺的好處,那就是為懂得大年夜腦的任务機制掃清障礙。畢竟,假设一切構成認知基礎的經驗都要服務於大年夜腦對世界提出和檢驗假設的尽力,那麼這些經驗能够就具有合营的機制,能夠被探測和解釋——也許還能用公式去描述,這是一切健全的科學理論的基礎。事實上,至少有一些哥本哈根會議的參會者看到了一些跡象,認同布薩基的觀點能够是對的。

布薩基對“從外向里”和“從裡向外”的區分,有助於重新審視大年夜腦研究的前景。

在進入神經科學領域之前,西北大年夜學的薩拉·索拉曾經是一名理論物理學家,她說,幾百萬年的演变能够已經讓神經元行為產生了諸多變異,而更高層面的系統依然運行优胜。“演变内行為層面運作,”她說道,“演变不會告訴第52號神經元:嘿,你和大年夜家不在一個調子上。”比来的一項實驗在僅僅擁有300個神經元的蛔蟲身上證明瞭這一觀點。儘管遺傳信息完全雷同的蛔蟲做出雷同的動作,它們身上單個神經元的行為卻大年夜相徑庭。細胞活動的不合組合可以產生同樣的更高層面的行為。

但是過去幾十年的研究成果越來越清楚地注解,大年夜腦的不合區域以多種方法彼此協同任务。看見事物不僅僅是通過眼睛接收到視覺信號,它還與基於其他輸入信號懂得圖像有關,包含你對過去見過的類似事物的記憶。這也說明瞭為什麼拉米雷斯繪製記憶圖须要付出如此大年夜的尽力,記憶触及一切大年夜腦區域的細胞,而不僅僅触及海馬體。

來源:神經現實在哥本哈根,有一座擁有玻璃牆溫室和花園的19世紀別墅,名叫嘉士伯學院(Carlsberg Academy)。該學院在科學史上是一塊聖地,它最早是嘉士伯啤酒公司創始人J。 C。 雅各布森(J。 C。 Jacobsen)的住處。後來雅各布森將此地指定為“投身於科學、文學或藝術事業之男男女女的榮譽會所”。

他們重要討論了準備若何解決這一問題。信息是如安在這一像海綿般、充滿脂肪的器官中得以呈現和處理的?860億個形狀和其他物理屬性差異巨大年夜的神經若何通過相互感化,促进了人類的推理、決策和運動?是什麼身分使得這些系統會運轉掉靈,又是什麼身分使得這些系統能恢復正常?

但是,這項研究的目标已經超出了這個形而上學問題,它還触及海馬體以外的大年夜腦細胞。多年來,科學家們已經不止步於激活神經元簇,他們還能嫻熟地激活一個個神經元,並且能夠在單個神經元作出決策的時刻激活或克制它們。如今,在這些實驗中發光的神經元正在幫助我們繪製關於大年夜腦行為的更細緻、更精微的圖像。拉米雷斯欲望本身能夠在大年夜約在5年內,將小鼠身上記憶构成和回憶的全過程生成一張三維衬着圖。該圖像將顯示整個大年夜腦中的細胞若何保有一段記憶。它還將提醒神經元會不會以差異足夠顯著的不合方法同步運作,產生積極記憶和消極記憶,和假设答案是肯定的,這個過程又會若何進行。

羅蘭在本年5月和2016年各組織了一次哥本哈根研討會,在每次會上,他都會讓來訪的神經科學家探討電極如安在他們各自所研究的大年夜腦區域相互重疊和融合。他強調,建立一種關於大年夜腦若何任务的好理論並不只是出於學術研究须要。羅蘭認為,通過將今朝的特定研究方法與理論框架結合起來,可以讓神經科學取得巨大年夜進展。假设不對更基礎的假說進行驗證,神經科學家們必定不克不及從一切令人贊嘆的探測大年夜腦的技術中提出深刻的新洞見。沒人欲望用Neuralink設備從事漫無目标的研究。“比方說,假設我們確實可以記錄大年夜腦100萬個神經元的活動,”羅蘭說,“你會取得很多數據,但你想從裡面找到什麼呢?我們至少要對本身要找的東西有一些概念。”

如今拉米雷斯已成為波士頓大年夜學神經科學助理传授,他仍在研究若何操縱小鼠的記憶,并且研究得更深刻了。本年5月,拉米雷斯和他的同事們宣佈,他們可以從根本上調節老鼠記憶的容量,使得積極體驗而非消極體驗更轻易被老鼠記住。

那一年,威廉·詹姆斯(William James)出版了兩捲本的《心思學道理》。在書中,這位哲學家兼心思學家勾画了他所謂的“心智生活的科學”。詹姆斯寫道,他對“感覺、欲望、認知、推理、決策等諸如此類的心智活動”若何從大年夜腦中產生這一問題异常感興趣,並且他花了好幾個章節來闡述諸如註意力、習慣、推理、想象和時間感知等心智特点的性質。(在詹姆斯論時間那一章,即第二捲第十五章中,他寫道:“沉醉於吸食大年夜麻後的體驗中,人們明顯對時間的感知度有很独特的晋升。當我們說出一句話,在話說完之前,說出這句話的最后幾個字仿佛已经是發生在無比遙遠之前的任务了。”)

不過,這些解釋性研究成果並沒有解決更大年夜的、實質性的問題。比如說,一些理論能夠解釋神經元若何通過相互感化,惹起走下樓梯之類的行為,但這些理論不用定適用於經驗的其他方面,例如你是若何決定要走下樓梯的,或许你是若何回憶起你祖母家裡的樓梯的。神經科學还没有建立起像物理學那樣具有預測才能的更基礎的理論,對物理學而言,引力理論可以解釋為什麼行星會圍繞恆星轉動,也能解釋為什麼你的筆會掉落到地上。“單一神經細胞已經取得部分懂得,儘管不是全部。但假设我們把註意力從單一神經細胞上挪開,那麼沒人知道多個神經細胞是若何協同運作從而產生感知、思维或自立行為的。”丹麥神經科學家佩爾·羅蘭(Per Roland)說道。

在紐約大年夜學的捷爾吉·布薩基看來,進一步發展上述觀點對於神經科學而言是革命性的。在哥本哈根會議上和在他的新書中,布薩基認為,神經科學家已經太長時間陷在了1890年就初次提出的觀點中。

是以,布薩基認為,神經科學不應該只是“從外向里”看,即從現實世界中選擇某些安慰或體驗,然後試圖在大年夜腦中找出相應的神經關聯。他的想法主意截然相反,認為應該“從裡向外”看。這種办法起首觀察的是整個大年夜腦的行為形式,然後再去考察這些形式若何產生人類體驗的多重面向。

“我們正不斷取得進展,但問題依然异常棘手。”西北大年夜學神經科學家薩拉·索拉(Sara Solla)說道。她參加了本年的哥本哈根會議,也參加過2016年在嘉士伯學院舉辦的類似會議。另外一名參會者,紐約大年夜學醫學院的捷爾吉·布薩基(György Buzsáki)很擅長接收各種科研成果,但仍未能從這些成果中理出頭緒。他說道:“我們離目標還相當遙遠。”他剛寫了一本新書,名叫《由內而外看大年夜腦》(The Brain From Inside Out)。他在書中寫道:“神經科學仍處於早期階段。”

這種情況也會發生在生物學中。早在懂得免疫系統的運作道理之前,人們就靠著運氣和試錯發明瞭疫苗和抗生素,為世界帶來了巨大年夜的改變。拉米雷斯能夠讓記憶构成或许被抹掉落,即使他或其他人都不知道記憶是若何存儲在大年夜腦中的。“我們必定要懂得某個現象的每個細節,才能知道若何解決問題嗎?”他說,“有時我們能够會刚巧發現答案。”

記憶研究能提醒什麼?現年31歲的拉米雷斯在2013年就讀麻省理工學院研究生時就取得了學術界的關註,當時他和一個同事輕微激活了一隻小鼠的恐懼記憶。當他們把恐懼記憶激活時,獃在盒子里的小鼠急速驚恐得無法動彈,儘管盒子里沒有什麼讓它认为恐懼的東西。當他們把恐懼記憶清除時,小鼠绝不猶豫地又重新在盒子里跑來跑去了。

由於神經科學是從心思學平分離出來的,20世紀的神經科學家採納了詹姆斯的觀點,設法明確詹姆斯所描述的體驗的神經機制。不過,儘管詹姆斯的分類法有助於描述意識的不合特点,但布薩基還是指出,這些分類有些隨意:它們不用定能描述我們在大年夜腦中看到的獨特形式或狀態。

這提示人們,哪怕有這麼多的新对象和新數據集,神經科學也許正在接近於取得實質性冲破,但也許依然前路漫漫。當你在黑阴霾摸索時,你弗成能確切知道本身將撞上什麼東西。

不過他承認,科學家離懂得大年夜腦的組織原則還差得遠,并且建立一個整體模型的確有能够幫助神經科學獲得更大年夜進展。他提到了一本名叫《神經科學道理》(Principles of Neural Science)的教科書。“那本書應該完全留白,”他說,“也許我們已經知道的唯一道理就是,大年夜腦是由大年夜腦細胞構成的。”

儘管這一結論同樣適用於大年夜腦,但依然引發了更多的問題。某些大年夜腦活動網絡也許可以被識別和計算,但這些網絡是若何彼此交互的?這種交互能被建模嗎?

但即就是昆蟲和其他物種當中最小、最簡單的大年夜腦,儘管小得無法區分感知和運動中间,它也能够採取行動,做出回應。這些動物的大年夜腦和人類大年夜腦又有哪些合营之處呢?它們可以讓本身的身體在本身所處的環境中生计下去。布薩基認為,大年夜腦只要一個重要的進化目標:摸索世界,持續從“成功的摸索式行為的後果”中學習,以便將來重覆应用。人類與其他生物體的區別在於,我們更擅長於此。至關重要的是,即使在大年夜腦活動過程中並不存在某種決策中间,人類依然擅長於學習,布薩基說道。“大年夜腦不是用來處理信息的,”他寫道,“而是用來創造信息的。”

“我們可以記錄更多的神經元信息,並且這些信息的質量對於實驗人員來說也會越來越好,”布薩基說,“但為了弄清楚哪些信息對於懂得大年夜腦的任务機制有效,你须要同時記錄下游大年夜腦結構中的信息,從而瞭解這些信號能否被其他神經元应用。僅僅說‘我記錄了海馬體中500萬個神經元的信息’是不夠的,新皮層若何懂得這500萬個神經元的產出,這點同樣非常重要。神經的信息就在這些互動中。”

正如科學家不消測量液體或氣體中的每個原子,便可以应用流體動力學預測液體和氣體的行為,神經科學家也能够不消測量每個腦細胞,就可以通過模型預測大年夜型神經元網絡的行為。