必須忘記——遺忘對於大腦正常運作非常重要
2019年09月14日11:13

  文章來源:Nature自然科研

  長期以來,遺忘一直被看作是記憶出錯。但是現在,研究人員開始意識到,遺忘對於大腦正常運作的重要性。

  我們之所以成為我們,乃是因為我們的記憶。記憶塑造了我們對世界的認知,幫助我們預測將來會發生的事。一百多年來,研究人員一直在探索記憶是如何形成,如何在事後幾天、幾週甚至幾年里鞏固,以便我們回憶。可是,這些研究人員可能只看到了問題的一半。如果想要瞭解記憶形成的機製,我們就必須搞清楚人類是如何遺忘的,以及為什麼會遺忘。

  直到十年之前,大多數研究者還認為遺忘是一個被動的過程。沒有使用的記憶就像陽光下的照片一樣,逐漸暗淡褪色。後來,有些記憶研究者的發現卻與這一存在了幾十年的假設相悖。這些研究人員進而提出了一個大膽的想法:遺忘是大腦的預設功能。

  過去十年里,越來越多的證據表明,記憶的喪失並不是被動的過程。恰恰相反,遺忘更像是一種主動的過程,我們的大腦在不停地遺忘。對一些動物(抑或是所有動物)來說,大腦的標準態並不是去記住,而是去遺忘。如果能對這種狀態有更好的理解,或許就能找到焦慮症、創傷後應激障礙,甚至阿爾茨海默病的突破性療法。

  加拿大麥吉爾大學的認知心理學家 Oliver Hardt一直從事有關記憶的神經生物學研究,他說:“忘不掉的記憶算什麼記憶?這是不可能的。為了讓記憶功能正常運作,你的大腦就必須遺忘。”

  遺忘的生物學

  不同類型的記憶會以不同的方式、在不同的腦區生成並儲存。目前,研究人員依然在努力攻克各種細節,但他們已經知道,在某一事件發生後的幾小時到幾天里,自傳體記憶(對自身經曆的記憶)會在一個名為海馬的腦區里以持續的形式儲存。神經元之間會通過突觸交流,而突觸就是神經元之間的連接,其中包括一個能讓化學信使通過的狹小縫隙。每個神經元都以這種方式與其它數千個神經元連接。在名為突觸可塑性的過程中,神經元會不停地生成新的蛋白,重塑部分突觸,比如突觸受體,讓神經元可以選擇性地增強相互之間的聯繫。在這個過程中會產生一個細胞網絡,這些網絡聯合起來就能編碼我們的記憶。記憶被喚起的次數越多,儲存該記憶的神經元網絡就越強。隨著時間推移以及不斷地回憶,記憶會編碼在海馬和腦皮層中。最終,記憶將獨立存在於腦皮層中,並在那裡長期保存。

  神經科學家通常把記憶的這種物理表徵稱為“痕跡”(engram)。他們認為,每個印跡都有數個突觸連接,這些突觸連接可能分散在好幾個不同的腦區,而每個神經元和突觸都可以與多個痕跡相關。

  不過,這離破解記憶如何形成以及被調用的過程還有相當長的距離。這個問題已經花費了記憶研究者大把的時間;相比之下,大腦如何遺忘的研究領域卻罕有人至。劍橋大學認知神經學家Michael Anderson認為這是一種非常嚴重的忽視。他說:“任何有記憶的物種都會遺忘,無一例外。無論是多麼簡單的生物,只要它們能從經驗中學習,它們就會把學到的經驗忘得一乾二淨。從這個層面上說,神經生物學家對遺忘的後知後覺讓我震驚不已。”

  當Ron Davis 在2012年發現果蠅主動遺忘的證據時,這個問題並沒有引起他足夠的重視。Davis是美國斯克利普斯研究所的神經科學家,他當時研究的是記憶在果蠅蕈形體(昆蟲大腦中儲存嗅覺和其他感官記憶的緻密神經元網絡)中形成的複雜過程,尤其是與這些結構相連的多巴胺分泌神經元會產生哪些影響。多巴胺是一種神經遞質,參與調控了果蠅大腦的多種行為。Davis認為,這一化學信使可能對記憶形成有一定作用。

  有意思的是,Davis發現多巴胺其實是遺忘的必要元素[1]。他和同事讓轉基因果蠅對特定氣味和電擊形成條件反射,訓練它們躲避這類氣味。隨後,他們激活了果蠅腦中的多巴胺能神經元,並觀察到果蠅很快就忘記了上述條件反射;而阻斷多巴胺能神經元卻能保存記憶。Davis說:“這些神經元可以調節記憶的表達方式,”從根本上說,它們能夠提供“遺忘”的信號。

  在進一步的研究中,他們採用了一種能監測活體果蠅神經元活動的技術。他們發現,至少在果蠅體內,這些多巴胺能神經元可以保持長時間活躍。Davis說:“果蠅的大腦在不斷忘記那些已經學到的信息。”

  從果蠅到囓齒動物

  幾年後,Hardt在大鼠身上也發現了類似的現象。當時他正在研究與長期記憶儲存有關的神經元突觸。研究人員已知,如果哺乳動物大腦的神經元連接增強,說明大腦正在編碼記憶。而這種連接的強度由突觸中一類特殊受體的數量決定。這類受體叫做AMPA受體。想要記憶完好無損,這些受體就必須被保留。但Hardt說:“問題在於,這些受體很不穩定,它們在突觸上忽升忽滅,幾個小時或幾天就會換一波。”

  Hardt的實驗室還發現,有一類專門機製可以持續促進突觸中AMPA受體的表達。可是,一些記憶依然會被遺忘。Hardt推斷AMPA受體也可以被移除,這意味著遺忘是一種主動的過程。如果他的觀點成立,那麼阻止AMPA受體的移除,照理說就能阻止遺忘。於是,Hardt和同事阻斷了大鼠海馬中AMPA受體的去除機製,大鼠果然不會再忘記物體的方位[2]。為了遺忘某些事物,大鼠的大腦似乎要主動摧毀這一突觸的連接。Hardt認為遺忘“並不是記憶功能的失效,反倒是記憶的一種功能。”

研究人員發現神經遞質多巴胺對記憶十分重要。   來源: Alfred Pasieka/SPL
研究人員發現神經遞質多巴胺對記憶十分重要。   來源: Alfred Pasieka/SPL

  加拿大多倫多病童醫院的神經科學家Paul Frankland也發現了大腦會刻意遺忘的證據。Frankland當時正在研究成年小鼠的新神經元生成(即神經發生)。一直以來的觀點是,只有年幼動物的大腦才有神經發生,直到約20年前,研究人員在成年動物的海馬里也發現了神經發生的現象。由於海馬會參與記憶形成,Frankland和他的團隊猜測,增加成年小鼠大腦的神經發生是否能提高它們的記憶力?

  在一項發表於2014年的研究中,研究人員得到的結果剛好相反:增加神經發生不僅沒讓小鼠的記憶變好,反而讓小鼠的忘性更大了[3]。一開始Frankland認為這說不通,因為新的神經元應該意味著更多的(或者說更好的)記憶能力,但是他現在知道為什麼了。“當神經元整合到成年海馬體時,它們加入的是一個已經存在的環路。如果你有信息儲存在這個環路里,重裝這個環路會讓信息變得難以獲取。”

  由於海馬並不是大腦儲存長期記憶的地方,因此它的動態性並非劣勢,Frankland認為這是人類演化而來的一種幫助學習的特徵。環境總是變動不居的,為了生存,動物必須適應新環境。而允許新的信息覆蓋舊的信息能讓動物更好地生存。

  人類的本質

  研究人員認為,人類大腦的工作模式也差不多。多倫多大學從事神經元連接和機器學習的研究者Blake Richards說:“我們之所以擁有汲取新經驗的能力,部分原因在於我們的大腦能夠執行可控的遺忘程式。”Richards認為,大腦的遺忘能力可以預防一種叫做“過度擬合”的現象。在人工智能領域,過度擬合指的是一個數學模型與編程數據的匹配度過於良好,以至於無法用來預測其他數據。

  同樣,如果一個人對某次事件的所有細節記得一清二楚,比如被狗攻擊的整個過程(不僅記得哪件事驚嚇到了狗,讓它開始狂吠咬人,還能記得這隻狗塌塌的耳朵,狗主人T恤的顏色,以及太陽照射的角度),這種情況下,他們很難對事件進行普適推廣,以防再次被咬。Richards說:“如果你能刪除旁枝末節,抓住事物的主旨,你就可以移用到新境況中。我們的大腦很有可能特意執行了可控遺忘,從而避免我們對自身經曆的過度擬合。”

  對那些自傳體記憶超常或是自傳體記憶受損人的研究似乎證實了這個理論。那些患有超級自傳體記憶(HSAM)的人記得生活的點點滴滴,甚至可以告訴你他們哪天穿了哪件衣服。但是,雖然他們具有這種超能力,作為個體的他們並沒有成就非凡,反而發展出了越來越嚴重的強迫傾向。加拿大Baycrest健康科學中心的認知神經科學家Brian Levine說:“無法從一些特定事件中抽身的人就是這樣。”

  與此相對,那些自傳體記憶嚴重缺乏(SDAM)的人則無法回憶起生活中的特定事件,導致他們無法對未來做出預判。根據Levine的經驗,SDAM患者往往善於應付需要抽像思維的工作,許是因為他們不太受細節的困擾。他說:“我們認為,SDAM患者雖然過著沒有情節記憶的人生,但卻具有情節切換的能力。他們很善於解決問題。”

研新的神經元(綠色)整合到海馬體(紅色帶狀)中會讓原有記憶退化。   來源: Jagroop Dhaliwal
研新的神經元(綠色)整合到海馬體(紅色帶狀)中會讓原有記憶退化。   來源: Jagroop Dhaliwal

  Anderson對大腦中GABA水平的研究或許能揭示苯二氮卓類藥物發生藥效的機製。此外,對那些既沒有HSAM,也沒有SDAM的人的研究也顯示出遺忘對於健康大腦的重要性。Anderson的團隊正在深入研究人類主動遺忘的發生過程。他們採用功能磁共振成像以及磁共振波譜法研究海馬中抑製性神經遞質GABA(γ-氨基丁酸)的水平。通過對試圖抑製某些想法的人類大腦進行掃瞄,研究人員發現,一個人的GABA水平越高,名為前額葉皮層的腦區對海馬的抑製也越多,他們也就更容易遺忘[4]。Anderson說:“我們成功將遺忘與大腦中一個特定神經遞質建立了聯繫。”

  試著遺忘

  同時從生物學和認知心理學的角度審視人類如何遺忘,Anderson等研究者或許能夠找到更好的治療焦慮症、創傷後應激障礙,甚至是阿爾茨海默病的方法。

  Anderson對大腦中GABA水平的研究或許能揭示苯二氮卓類藥物發生藥效的機製。苯二氮卓類藥物是一種治療焦慮的藥物,從上世紀60年代開始上市,地西泮就屬於此類。研究人員很早就發現,這類藥物可以通過加強GABA受體的功能,起到減輕焦慮的作用,但他們並不知道其中的原理。現在,Anderson的研究結果可以對此做出解釋:如果前額葉皮層命令海馬抑製某種想法,除非海馬有足夠多的GABA,否則就無法響應前額葉皮層的命令。Anderson說:“前額葉皮層就像將軍,可以發號施令,抑製海馬的內部活動。但是如果沒有士兵聽命,那麼下命令也是白搭。”

  GABA在抑製不想要的思想方面起到了至關重要的作用,這種作用對恐怖症、精神分裂症和抑鬱症具有一定的啟示意義。這些病症的不同症狀(如閃回,強迫性思想,抑鬱反芻,無法控製思想)都和海馬的過度活動有關。Anderson指出:“我們相信我們已經建立了一個關鍵的機製框架,可以把這些不同症狀和疾病聯繫起來。”

  他的研究或許還能對創傷後應激障礙的治療助一臂之力。這種障礙是指一個人對某次創傷性事件的印象過於深刻。或許,創傷後應激障礙的根源是遺忘出了問題。如果能進一步理解怎樣才能以傷害最小的方式遺忘創傷性記憶,或許就能治療一些最棘手的病症。Anderson和同事研究了一些誌願者會如何抑製不愉快的記憶,他把這個過程叫做動機性遺忘。他們發現,創傷體驗較深的人尤其善於抑製某些特定記憶[5]。如果能夠找到這種能力背後的認知心理學根據,以及發展出這種能力所需的心理承受力,或許就能改良創傷後應激障礙的治療方法。

  Hardt認為,阿爾茨海默病或許可以理解為遺忘出錯,而非記憶功能不佳。他說如果遺忘真的是記憶過程所固有的組成部分,並能得到良好控製,那麼遺忘過程的失調就有可能產生不良的後果。他問道:“如果說這個病其實是遺忘過程過度活躍,不受控製,以至於把不該忘記的記憶也刪除了呢?”

  目前為止,這個問題還沒有答案。但是,越來越多的記憶研究者在研究大腦記憶的同時,正把目光轉向遺忘的機製。Anderson 說:“我們愈發認識到,遺忘是一個自成體系的過程,有別於記憶的編碼、鞏固和提取。”

  在過去的10年里,研究者已經把遺忘看作是整體拚圖的重要一部分。Hardt說:“我們為什麼要有記憶?作為人類,我們總是幻想著擁有自傳體記憶是如何重要。但是這種想法可能大錯特錯。記憶最根本的功能是幫助我們適應環境。它給了我們閱曆,並不斷更新這種閱曆。”而遺忘,可以讓我們作為個體和物種不斷進步。

  Anderson總結道:“演化在記憶和遺忘的優勢之間取得了優雅的平衡。既兼具了永久性和韌性,同時也掃除了前進路上不必要的障礙。”

  原文以 The forgotten part of memory為標題

  發佈在2019年7月24日出版的《自然》增刊“自然展望-大腦”上。

  我們在此衷心感謝上海腦科學與類腦研究中心(Shanghai Research Center for Brain Science and Brain-Inspired Intelligence)、上海聯影醫療科技有限公司(United Imaging Healthcare Technology Group Co。 Ltd)、陳天橋雒芊芊研究院臨床轉化中心(Tianqiao and Chrissy Chen Institute Clinical Translational Research Center)、上海綠穀製藥有限公司(Shanghai Green Valley Pharmaceutical Co。 Ltd)以及寒武紀科技(Cambricon Technologies Corporation)等贊助方對本增刊出版的支援。《自然》對所有社論內容全權負責。

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