记忆移植

文/李东风

在一些科幻作品中,我们能看到有关记忆移植的情节。记忆是非常复杂的脑功能,至今仍有很多谜团有待解开;要将一个生命体的记忆转移或者复制到另一个生命体之中,更是难上加难。不过,科学家已经在一些动物身上实现了记忆移植,例如,他们通过记忆移植让鸟儿学会了唱歌。

记忆与模仿学习
当孩子第一次说出“爸爸”“妈妈”时,父母亲都感到无比激动。这一声呼唤,他们已经等待了很久。从孩子出生后,父母亲就天天抱着孩子,对着孩子开心地重复着“baba”“mama”这几个音节。倾听了几个月后,婴儿终于能够顺利地将“b”和“a”、“m”和“a”连成“爸爸”“妈妈”,这标志着他们会说话了。
除了说话,我们这一生还有很多行为(如唱歌、生活习惯等)似乎都不用刻意地学习,只要跟着家人、老师、伙伴慢慢地模仿,不知不觉就学会了,模仿的成果可能还带有自己的风格。然而,有些人因为患有神经发育障碍(如自闭症),在一定程度上缺乏模仿学习的能力,这会导致他们表现出不同程度的语言障碍、人际交往障碍、兴趣狭窄和行为重复刻板等。
模仿学习涉及大脑对观察行为的长期记忆,它需要神经系统进行一系列转换:首先,被模仿对象的行为必须被感知到,并以一种感觉模式表现出来;其次,这种感觉模式必须被转换成一套足以复制预期目标的运动模式。研究发现,与情景记忆不同,用来指导模仿行为的记忆并不需要海马的参与,而是直接编码在脑皮层回路中的。

记忆移植让鸟儿学会唱歌
那么,大脑是如何对模仿父母讲话所需的记忆进行编码的?当这个过程出错时,我们能进行干预吗?为了回答这些问题,美国科学家对斑胸草雀进行了实验。之所以选择斑胸草雀作为研究对象,是因为作为鸣禽,它们学习鸣叫与人类学习语言有很多相似之处。
成熟的鸟鸣由一些短的音节以精确的顺序重复组成,每组持续1~2秒。这些音节的声学结构复杂多变,包括不同的谐波频率和振幅等,因此,即使模仿对象相同,每只鸟也能形成不同的歌曲。和人类学习说话一样,幼鸟学习鸣叫的过程始于倾听。幼鸟听到父亲唱歌后,将旋律存储在大脑中作为参考模板。在以后的时间里,幼鸟通过不断的尝试来完善自己的歌声,直到与模板基本吻合,最终学会可用于求偶的歌曲。
在这项实验中,科学家在斑胸草雀幼鸟向父亲学习鸣叫之前,使用光遗传学技术来控制它们大脑中与听觉经验学习相关的区域,从而对其进行记忆编码。他们用光脉冲激活幼鸟特定的神经元回路,光脉冲的持续时间比典型的鸟鸣音节短一些或长一些。结果发现,对幼鸟的光遗传学干预塑造了它们成年后的歌声:接受短脉冲刺激的鸟儿的歌声中,音节明显比正常情况下要短;而接受长脉冲刺激的鸟儿歌声中,音节明显比正常情况下要长。
值得注意的是,这些效应是在光脉冲刺激结束之后,又过了一段时间才显现出来的。和常规的学唱过程一样,实验中的幼鸟在接受光脉冲刺激后,也用了几星期来反复练习、试错和提高。这说明光脉冲刺激植入的是关于目标行为的记忆,而不是特定的运动程序。
通过该研究,科学家确定了可对目标记忆进行编码的大脑区域。同时,该研究表明,将目标记忆植入大脑,能帮助幼鸟在没有亲鸟示范、不与外界发生互动的情况下学会鸣叫。这为人类语言学习的探索以及语言障碍的治疗提供了方向。

通过细胞移植记忆
科学家通常认为,记忆是通过增强神经元之间的连接或者在神经元之间建立新的连接来存储的。上述对鸣禽大脑的光遗传学实验就是基于这个原理进行的。但也有些科学家认为,记忆其实是存储在细胞中的,他们做了一些实验来验证这个理论。
20世纪60年代,一位美国科学家训练了一批涡虫,让它们对光产生条件反射。然后,他将受过训练的涡虫作为食物喂给未经训练的涡虫吃。令人惊讶的是,未经训练的涡虫在受到光刺激后会做出同样的条件反射行为。
后来,科学家用蜜蜂进行了类似的实验。他们将经过训练的蜜蜂的脑组织提取出来,注入未经训练的蜜蜂脑中。结果显示,后者继承了前者的行为习惯。2018年,科学家使用注射核糖核酸(RNA)的方法,在海兔身上实现了记忆移植。
我们有时会看到报道,称某人接受器官移植以后,表现出与器官捐献者相似的行为。这似乎也在一定程度上证明了记忆可能存储在某种物质中。如果真是这样,记忆移植可能变得更加容易。
记忆到底是以何种形式存储的,科学家对此还有很多争议。尽管如此,斑胸草雀、涡虫、蜜蜂、海兔等动物实验都证明了记忆移植是可以实现的。当然,人类的大脑比这些动物的大脑复杂得多,实现人类的记忆移植,还有很长的路要走。
(本文作者李东风为华南师范大学生命科学学院教授。)

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