【探索七】人類智慧從何而來?

第三講‧特稿

圖片來源:David Malan |Getty Images

每個人所知所學縱然不同,背後的原理依據卻是源出一脈。
撰文 ∣ 張思遠

笛卡兒認為人生而有理性,智慧猶如待放的花蕾,在合適的條件下綻放璀璨,洛克則認為人生來一片空白,經一事長一智,智慧是經驗透過演繹歸納所生的結果,這種經驗主義的哲學理念,為心理學者所承襲,對日後學習記憶的研究影響深遠。

學習記憶神經生物學假設人類行為與心智狀態既由腦所產生,那麼,通過學習而改變的思想行為,必然有其對應腦內神經機制的變化,也就是外界發生的事件相對於腦內的神經表徵,如同萬千世界縮影投射於腦內一般,這個變化稱為憶痕(engram),保留在腦內的憶痕,就是記憶的神經機制變化。學習記憶神經生物學專注研究透過學習而形成憶痕的「習得」過程、憶痕被保存下來的「儲存」過程以及潛藏憶痕被激發應用的「取用」過程,總括而言,就是探討憶痕的神經基礎。

學習記憶在腦內何處發生

學習記憶的神經機制,究竟發生在腦內的何處,向為哲學家與科學家所熱衷探討。中世紀有學者認為,不同的心智功能,由腦內不同區域掌管,而學習與記憶的功能就位於第四腦室,這種區位觀的方法概念一直為學者所沿用,後來骨相學家就應用區位觀理論,認為某項心智功能的發達會有相應的頭骨部位隆起,唯獨對學習記憶無法個別劃分,因為學習記憶並非單一概念,而是包含語文、邏輯、抽象思維等等在內的綜合概念,由腦內多個區域共同參與。數百年來,區位觀與分佈觀在研究學習與記憶的領域互為主流,至少,我們依據實證經驗,能夠找出與學習記憶相關的腦內結構,H.M.失憶症的案例,為研究學習記憶提供了寶貴的資料。

H.M.由於腦部受創,引起的癲癎症狀持續惡化,最終需要透過手術切除了包括海馬(Hippocampus)在內的腦部異常結構,術後癲癎症狀得以緩解,卻無法形成新的記憶,只剩下部分術前的回憶,伴隨著他度過餘生,當時,心理學家Brenda Milner認為H.M.是由於海馬被切除,導致罹患全面失憶症,透過觀察臨床病例,海馬被手術切除的病人會喪失記憶,而海馬未被切除的病人則記憶無礙,由此推論海馬是記憶的關鍵結構。

既然海馬是學習記憶的關鍵結構,那麼,人在進行學習記憶活動時,就必然伴隨著海馬神經的活躍。UCL心理學者的研究發現,計程車司機在運用空間聯想的時候,右側海馬非常活躍,另外,與常人相較之下,司機的前側海馬體積較小但後側海馬體積較大,而後側海馬正是負責空間記憶的作用,更有趣的是,後側海馬的體積與其工作年資呈現正相關,對於這項研究結果,不禁令人疑惑,究是先天具有較大海馬的人,對於這份工作勝任有餘,抑或是為了應付工作所需,從而促進海馬細胞的增長,這其中只是單純相關,還是具有因果關係,是研究報告未有解答的問題。

假設正如Brenda Milner當初的判斷一樣,海馬掌管一切的記憶,那麼,海馬被切除的H.M.,理應完全喪失學習記憶的能力,但事實上,H.M.還保留了部分學習記憶的能力。

為了測試H.M.的條件學習能力,醫生故意在手中戒指藏有尖銳物,再與其握手,H.M.因感到痛楚而本能地縮手,自此,那位醫生只要提出握手的邀請,H.M.都會有所猶豫,但他自己並不知道其中的原因,除此以外,還包括其他諸如知覺學習、圖形觸發作用、字幹填空、鏡像閱讀以及認知技能的學習記憶能力,這些能力多以內隱記憶的方式呈現,因此心理學家認為,記憶其實可以分為外顯記憶與內隱記憶,前者能被意識覺知,後者是意識所不能覺察。常年務農漁獵的人,對於風雨陰晴有獨特的感知能力,往往只知其然而不知其所以然,可能在不知不覺間,把經驗線索歸納形成原則,連自身都沒有察覺,氣象預測學習正是模擬此一情境所設定的測試,一般受試者的正確率會隨測驗次數的增加而提高,甚至包括H.M.在內海馬受損的病人也有著同樣表現,基底核(Basal ganglia)受損的帕金森氏症以及亨丁頓舞蹈症的病人則由於缺乏原則歸納的能力,只是在隨機漫步,但經驗記憶仍在,這些基底核受損的病人憶述剛才測試曾經出現的內容,完整度幾近於一般受試者,海馬受損的病人則無法憶及,可見,海馬是外顯記憶的關鍵結構,而基底核則是內隱記憶的重要結構。

H.M.對於術後的所知所學,能夠形成短期記憶,卻無法長期保留,是順向失憶症的病徵,對於術前的記憶存在遺忘梯度,接近手術時點的記憶,幾近全失,而大約距離手術五年以前的記憶,則與常人無異,是逆溯失憶症的病徵,連續劇常有的失憶症橋段即取材自此。遺忘梯度的存在,證明長期記憶並非永久儲存於海馬,而是由腦內其他的結構負責處理與儲存,過程中需要海馬的參與配合,海馬受損將會影響記憶的處理與儲存。

記憶是個綜合概念,並不是由單一區位包羅所有的學習記憶,看似簡單的學習作業,就涉及到多個神經回路的共同作用,後來Brenda Milner也因此否定了當初的判斷。

學習記憶的神經基礎

神經細胞之間並不是相互接合,而是存有縫隙,訊息透過突觸(synapse)進行傳遞,神經科學家Cajal曾經提出神經可塑性的說法,訊息接收的質量提升,學習自然得心應手,他認為突觸變化就是學習的神經基礎。

即使知道海馬與基底核對於學習的重要性,但其中涉及的突觸數目之多,有如恆河沙數,難以鎖定追蹤,故此,如果未被雜訊影響的神經系統,受到刺激產生變化,很可能就是對應於該刺激作用所生,基於這個脈絡基礎,心理學家Rosenzweig跟他的研究團隊,將同一窩初生老鼠,放在不同環境下培養,利用周遭環境的豐富刺激促進其學習,一段時間後,發現這些老鼠的各項神經指標均有顯著提升,當中包括突觸數目的增加,更令人意外的是,同樣結果也存在於成年以及老年老鼠,可見,學習其實可以永不止步,研究結果的發表,顯示後天經驗也可以重塑腦部結構與功能,改變了傳統認為神經系統有如頑石般不可動搖的見解。

研究學習的神經基礎,可以根據學習活動,探索參與其中的神經基礎,也可以反向操作,從類似作用於學習的神經現象,再把現象結果推演到學習活動進行驗證。經驗主義的聯結論指出,先後發生的事件之間如果具有時間接近性,兩件事會被認為有因果關聯,心理學家Hebb從神經表徵的角度詮釋這個事實現象,他假設不足以興奮神經元B的神經元A,跟足以興奮神經元B的神經元C,兩者正好同時活動,這種同步作用使AB之間產生聯結,以後即使沒有神經元C的配合,神經元A也能單獨興奮神經元B,這就是著名的海伯法則(Hebbian Rule),在日後海馬的長效增益作用(long term potentiation,LTP)上首次得到驗證。神經系統在接受連續刺激後,訊息傳導能力增強,而且狀態能夠長久持續,這就是LTP,所以萬事起頭難,但只要堅持不懈,就有破雲見曉之日,除此以外,LTP也具有聯結性,原本各自不足以興奮神經元的刺激,協力使神經元產生LTP,以後只要任一刺激出現,都足以引發LTP,舉一才能反三,這種神經機制被發現普遍存在於海馬、基底核以及杏仁核等與學習相關的神經結構。最後是驗證階段,LTP之於NMDA受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor),猶如汽車之於汽油,阻斷受體的活動,導致LTP被中斷,如果進而影響相關的學習能力,則可以認為LTP為學習的重要神經機制,研究證據亦肯定了兩者的關聯性。

過去神經生物學界試圖尋找記憶的專屬分子,時至今日,答案仍然有待尋覓,但在過程中發現,很多神經化學物質都會影響記憶,透過追蹤物質的流向,有助於了解記憶的形成。世間鮮有過目不忘之事,由此可知,記憶的形成需要穩固的過程。學者Zubin與Barrera針對穩固記憶所需的蛋白質合成進行抑制,發現有礙於長期記憶的形成,相剋自有相生,學者Jame L. McGaugh認為可以促進記憶穩固,研究顯示,低劑量腎上腺素可以促進記憶,高劑量卻有損記憶,最佳劑量隨作業難度而定。此實驗結果符合Yerkes-Dodson Law,對於例行性作業需要較高的壓力以促進效率,但對於複雜工作則要求較低的壓力,否則會影響思考判斷。

關於學習記憶的神經基礎,至今科學界仍未有確切答案,不過由於歷代學者的研究貢獻,關鍵線索已被掌握,與目標的距離已經相當接近。

啟發

雖然未有抵達目的地,但旅程意義深遠。所謂十根手指有長有短,同一套標準不能適用於每一個人,學習記憶是綜合多元概念,天生我材必有用,每個人都各有所長,順應內心的方向,走自己的路,另外,長效增益作用就是從刻苦用功到熟能生巧的境界,故人而無恆,終生一無所成,而神經同步活動則是以老帶新的過程,基礎足夠紮實,延伸學習也能操作自如。正所謂:「活到老,學到老,任何階段豐富的經驗都有助於腦部發育,以支應學習記憶的需要。最後,困頓的環境有時候反而有助於激發個人未知的潛能,壓力、動機以及專注等促進學習記憶的因子,早已存在於自己身邊─有志者,事竟成。
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本文整理自:101/04/21下午由梁庚辰教授在臺大應力所國際演講廳所主講之「學習記憶的神經生物基礎」的演講內容

延伸閱讀:台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2012年04月21日第三講〈學習記憶的神經生物基礎〉全程影音

﹝本文作者畢業於台大財金系,現為台大科法所研究生。﹞
責任編輯:Nita Hsu


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