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原文发表于科学松鼠会:那些推动大脑运转的魔手

作者: seren

  哺乳动物的大脑,无一例外都是极端复杂的结构。人类大脑中千亿神经元和万亿神经胶质细胞更是搭建出让人难以想象的网络系统。可是,让人常常想不到的是,像任何一架极度精密的仪器一样,大脑里也往往有一些特别关键的枢纽物质,它们中任何一种一旦消失,我们,将不复现在的模样。

忘情水

电影《东邪西毒》里,桃花临死前托黄药师给欧阳锋捎去一坛“醉生梦死”,希望他能忘掉自己。可是,喝掉半坛酒的西毒,依旧记得往事。这坛已成为文艺片经典暗喻的酒,对于西毒,“只不过是她跟我开的一个玩笑”而已。

可是,一些美国科学家在两年前却发现一种奇妙的蛋白,它在记忆储存中至关重要,只要用简单的方法阻碍它的正常功用,就能让大鼠遗忘过去。这,可不是一个玩笑。

储存长期记忆的大脑区域,好比电脑的硬盘。不过,这个硬盘的储存介质,是由数以万计的神经细胞组成错综复杂的神经网络。而储存的方式,靠的是对这个网络的特应“节点”的增强。做个比方,今天的作业是温习背诵《静夜思》,如果你是个乖学生,回家专心背书,第二天老师提一句“床前明月光——”,这句话顺着你的耳朵传进大脑,激活了那个已经在你反复背诵时变得异常高效的节点,一句自信高昂的“疑是地上霜”自然脱口而出。但如果你昨天跟隔壁小马哥打了一下午电子游戏,甚至没有把语文书从书包里拿出来,老师的这句诗传入大脑之后,只能在许多面目相似的低效节点之间困惑地寻找,疑……疑……疑什么来着?

这看起来不难理解。但进一步想一想,我们七岁背诵《静夜思》,为什么这么多年以后我们还能记得这么清楚呢?难道当时被凶神恶煞的老爸关在书房里的那半个下午有这么大的功效吗?不完全是这样。要长时间地记得一件事情,还需要我们大脑里有些物质不断地对这些增强的节点进行维护,否则,记忆就会丢失。

科学家发现,一种叫做PMK-zeta的蛋白酶,正承担着这项无比重要的工作。2006年,美国纽约的两位科学家,萨科特和芬顿博士(Todd Charlton Sacktor, André Antonio Fenton)在实验室里培养了一群老鼠。这些老鼠在一个缓慢旋转的圆台上活动,而这个圆台上有一扇60度的区域是“禁区”,只要老鼠一跑到这个区域里,就会被微弱的电流刺一下,过一会儿老鼠就学乖了,只在禁区外的地方玩耍。它们对疼痛的记忆是如此牢固,以至于离开圆台一整天以后,再被放回去,哪怕并没有电击,他们还是拒绝进入禁区。因为这个时候,它们大脑里面一块叫做“海马”的区域记录了他们吃过的苦头,不断提醒老鼠“别进去!会疼的!”可是如果给这些已经学乖的老鼠的海马里注射阻止PMK-zeta维修功能的物质,这些老鼠就彻底忘掉它们一天以前在禁区里吃过的苦头,又开始在圆台各处乱跑了!这说明,没了PMK-zeta的维修,神经节点的效率降低,本已生成的记忆又消失了。

不过,似乎阻碍PMK-zeta并不影响新记忆的生成。如果对这些因为失去PMK-zeta功能而乱跑的老鼠重新加以电击,它们会重新学乖,对禁区重新产生畏惧之心。

激动的科学家又把目光投入记忆的更加长期的储存区域——新皮层,大脑的长期备用硬盘,许多事件和记忆的最终仓库。这一次,萨科特博士和以色列的科学家杜戴(Yadin Dudai)博士的实验室合作。他们先给老鼠饮用含有糖精的水,四十分钟以后,给老鼠注射金属锂制剂,让老鼠恶心。可怜的老鼠在经历了呕吐之后,牢牢地记住了“糖精水让我发吐”这样的错误概念,在随后许多礼拜里,它们都避免喝这种水。可是,当二十多天以后,阻碍PMK-zeta的药物被注入老鼠新皮层以后,它们再次“好了伤疤忘了疼”,失去了对糖精水的憎恶心理。这表明,PMK-zeta在维持不同程度的长时记忆上都起着关键作用。

更有意思的是,一位米拉医生(Suzanne Mirra)发现在老年痴呆病人的大脑中,这种PMK-zeta蛋白与纠结绞缠的神经纤维裹在一起。而纠结的神经纤维,正是老年痴呆的大脑中的常见症状,被认为与病人丧失记忆有很大关系。也许PMK-zeta在这些老年人的大脑中产生了变化,导致了痴呆症状。

不过,科学家们现在还不清楚,阻碍PMK-zeta的药物,是对所有的长时记忆都起到删除作用,还是只删除那些不愉快地回忆。如果是后者的话,萨科特博士认为,也许今后真的能据此开发出一种新药,让受到巨大心理创伤的患者忘记过去的痛苦,重新振作起来。

老板们的福音

“儿子,把这十道数学题做好,我下个月带你去吃火锅!”

“儿子,把这十道数学题做好,我今晚上带你去吃火锅!”

叮叮叮,有奖征答:以上哪个老爸的奖励机制比较容易激发儿子的学习动力呢?

恭喜你答对了,是第二个!奖励嘛?猴头牌勤奋劳工剂一支!

科学家们早就发现了这个现象:当奖励唾手可得的时候,执行任务的人和动物都会更加积极地完成任务。在实验中,美国科学家里士满博士(Barry Richmond)实验室里的研究人员锻练猴子观察电脑屏幕上的一个小红点。一旦小红点变成小绿点,猴子如果能迅速释放手中的一支控制棒,就可以得到果汁作为奖励。这对于猴子来不太难,经过一段时间的培训,猴子的错误率降到5%左右。此时,科学家们稍微改进了一下实验设计,这一次,这些被训练好的猴子需要连续完成三次“看色丢棒”的任务,才能得到果汁。与此同时,在屏幕上的小红点旁边会出现一个长方形的区域,在第一次任务时这个区域是浅灰的,第二次是深灰色,第三次则是黑色。随着这个实验的进行,猴子慢慢了积累经验:浅灰色——还有好久才有果汁喝;深灰色——快了;黑色——啊哈哈,果汁就在眼前啦!学会了这套新知识的猴子有什么变化呢?他们变懒了!本来已经降到5%左右的错误率,在第一次任务时飙升到20-15%,第二次时也在15-10%左右盘旋,唯有到了最后一次任务的时候,猴子才又恢复了原先的高水平。可见猴子也有小聪明,只有把奖励放在它眼前,才能激发它的全部效能,不然就消极怠工。

不过,科学家并不满足于发现现象,他们更感兴趣的是大脑的什么区域,什么物质导致了这种现象——那个长方形区域引发的视觉信号如何能决定猴子的工作动力强弱。一些实验表明,当猴子在做这些实验时,大脑的嗅皮层区域活动增强。于是他们摘除了猴子的嗅皮层,再给猴子做这套实验,此时他们发现,猴子变“勤快”了,无论是第几次任务,他们都努力完成,保持了低错误率。摘除实验虽然效果显著,却是一种充满争议的实验方法,因为摘除一整片脑区,会引发许多复杂效应,让实验结果难以解释。所以科学家们进行了更加精细的实验。他们发现一种叫做“多巴胺D2受体”的蛋白质有可能在猴子的学习过程中起到关键作用,如果给猴子的嗅皮层注射阻碍这种蛋白质表达的物质,猴子也会像嗅皮层被摘除以后一样,变得异常勤快。更有趣的是,由于这种被注射的物质不会一直存在,当它慢慢消失以后,猴子又固态重萌,耍起了小聪明,不乐意在第一、二项任务上花心思了!

 

本图根据杰米•西蒙原图(《自然•神经科学》2004年11月刊)修改。

  不过小心,如果这门技术被剥削劳动人民血汗的老板们盗用,很可能造成严重后果。当然,要从猴子身上移植到人身上,还有很长的道路要走。至于目前,既然要下个月才交报告,今晚还是和朋友出去喝酒吧!

这个危险的世界

  每个饥肠辘辘的晚上,我都会出门买东西。开门走进黑夜,会让我有些小小的紧张。如果门口的那盏路灯坏了,只剩下新月微弱的幽光,我会裹紧衣服,快步走过。要是邻楼的拐角阴影里站着个看不清面貌的人影,我会感到异常害怕。要是这个人影向我走过来……天哪,还等什么,尖叫着跑回家吧!饿一晚上也比被暴徒抢劫强!

在不同的情景下,人对“是否要发生可怕的事情”的判断不同,进而引发的恐惧程度也不同。如果没有这种自动调节的机制,无论面对什么样的情景都感到万分恐惧的话,可以想见这样的生活该是多么痛苦。可是,有一群可怜的老鼠,它们就生活在这样的高强度恐惧之中。

在意大利,格罗斯(Cornelius Gross)博士的实验室里就住着这么一群老鼠。它们从一生下来,就缺乏一种叫做血清素1A受体的蛋白。这种蛋白早就被证明在哺乳动物的神经活动中非常重要,如果这种蛋白不能正常工作,患上焦虑症或者抑郁症的可能性将大大提高。

在格罗斯的实验室里,老鼠们常常经历这样的实验:它们先听到一声怪响,再看到一束光,然后被电击一下。所不同的是,每五次怪响之后,只有三次会出现光和伴随着电击,但是每次出现光之后,老鼠都会受到电击。也就是说,听到响声,只有60%的情况下老鼠会受罪,但如果看到光,那就百分之百在劫难逃。而老鼠有一种特殊的方式来展示他们“准备受罪了”——整个身体僵住,一动不动。科学家发现,对于普通的老鼠,经历训练之后,如果给它们投射一束光线,大约有一半的老鼠都会吓得立刻僵住;而如果放出一声响,则只有四分之一的老鼠会这么做。可见老鼠也知道什么情况非常可怕,什么情况只是一般可怕而已。

可是,缺乏血清素1A受体蛋白的老鼠不一样。它们经过声-〉光-〉电击的训练之后,即便只听到响声,也有一半的老鼠会全身僵直,准备受击,与他们已经看到了那道恐怖之光的反应水平一样。可见,这些可怜的老鼠已经不再具有对各种不同情况的区别能力,变得格外“胆小”。格罗斯和同事们还发现,不需要从先天就剥夺老鼠的血清素1A受体,如果给正常老鼠喂上一种阻断这种蛋白功能的药,它们一样会变成怯懦鼠。

 

本图根据安•汤普森的原图(《自然•神经科学》2007年10月)修改。

有意思的是,在上一个猴子实验中提到的多巴胺D2受体,主管动物的“奖励神经中心”,正好与主管“恐惧神经中心”的血清素1A受体功能相反。可是,它们的工作机制却很可能相似——都是计算某一情形下得到奖励和发生不好事件的概率,然后根据概率高低决定动物应该作出多么强烈的反应。已经有研究为这个猜想提供了证据:通常来说,身患帕金森综合症的病人常常服用能增强多巴胺D2受体活动的药,这可以让他们的肢体运动变得协调。可惜,这种药却有着一种不幸的副作用——它会让一部分病人染上赌瘾。这是因为活动增强以后,多巴胺D2受体会对赌博中可能性极小的那点预期回报,赋予极大的“期待”,让病人难以自拔。一面是治病的良药,一面却是未曾料到的后果。在了解我们自己的大脑的路上,还需要很多怯懦鼠或者勤奋猴来告诉我们该往哪里走。

 

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