1. 从古至今的学习记忆的研究
记忆是我们存储和回忆信息的能力，对我们的生活和学习至关重要。从古至今，人们对记忆的认识经历了漫长的发展过程。
1.1 古代的记忆研究
在古代，人们对记忆有了一些初步的理解。古埃及的壁画和文字记录，是人们对记忆的初步尝试；中国古代的竹简，也是对记忆的基本应用（图1）。虽然这些记述相对简单，但它们为后来的科学研究奠定了基础。

图 1 古希腊壁画和秦代竹简
在古希腊，哲学家苏格拉底提出，记忆就像思想中的蜡块，每个人的蜡块不一样，因此记忆能力也不同。亚里士多德进一步发展了这一理论，认为记忆疾病的原因可能是蜡块的稠度太疏松，而儿童和老年人的记忆力差是因为蜡块处于不断变化的状态。这些早期的理论虽然不完全准确，也没有一定的实验基础，它们仍然展示了人类早期对记忆的探索。
1.2 心理学的兴起
到了19世纪末，心理学作为一门独立的学科开始兴起。威廉·冯特被称为实验心理学之父，他在德国建立了第一个心理学实验室，用科学的方法研究记忆。冯特通过实验，研究了人类如何存储和回忆信息。他的研究为记忆科学带来了新的视角，奠定了现代心理学的基础。
同时，其他心理学家也对记忆进行了深入研究。例如，赫尔曼·艾宾浩斯通过记忆无意义音节，研究了记忆的保持和遗忘规律。他发现了“遗忘曲线”（图2），描述了人类记忆随时间的衰减过程。这些研究帮助我们更好地理解了记忆的基本特征和规律。

图 2 艾宾浩斯遗忘曲线
1.3 神经科学的进步
进入20世纪，神经科学的进步极大地推动了记忆研究的发展。西班牙神经学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔通过高尔基染色法观察到了神经元的存在（图3），并提出了神经元理论，即神经元之间通过突触进行信息传递。这一发现为我们理解大脑的工作原理奠定了基础。与此同时，英国科学家查尔斯·谢灵顿通过实验进一步证实了突触的存在，这进一步支持了卡哈尔的理论。

图 3 神经元的高尔基染色
行为心理学方面，俄国生理学家伊万·巴甫洛夫的条件反射实验[1]展示了如何通过重复刺激建立条件反应。实验中，狗在听到铃声后分泌唾液，因为铃声和食物被多次同时呈现（图4）。美国心理学家B.F.斯金纳通过操作性条件反射实验[2]展示了奖励和惩罚对学习行为的影响。实验中，动物通过按压杠杆获得食物，从而学习到这一行为（图4）。

图 4 条件反射实验与斯金纳箱
1.4 现代记忆研究
现代记忆研究在神经科学技术的推动下取得了长足进展。赫布理论（Hebbian Theory）提出，“同时激发的神经元会联结在一起”（Neurons that fire together wire together），解释了记忆形成的神经机制。这一理论帮助我们理解了大脑是如何通过神经元之间的连接来存储信息的。
最近，Neuropixels技术的发展使得科学家能够在短距离内同时记录几百到上千个神经元的活动（图5）。这种技术极大地提高了我们对大脑工作机制的理解，使我们能够更加精确地研究记忆的形成和存储过程。

图 5 Neuropixels技术概念图
2. 海马体与学习记忆
海马体（hippocampus）是大脑中一个重要的结构，它在学习和记忆中起着关键作用。海马体的名字源自于它的形状，类似于海马（图6）。虽然这个脑区很小，但它在记忆形成、存储和提取过程中发挥着不可替代的作用。我们可以把海马体想象成一个大型图书馆，里面有不同的区域，各自负责不同的工作，通过这些区域的合作来完成记忆的处理和存储。

图 6 海马的位置及解剖图
2.1 H.M.病人与海马体
海马体与学习记忆关系的研究很大程度上要归功于H.M.病人[3]。H.M.病人全名亨利·古斯塔夫·莫雷森（Henry Gustav Molaison），是记忆研究史上的一个重要人物。从27岁开始，科学家为H.M.做了不计其数的实验，目前科学界关于记忆的知识，有很大部分得自于他，H.M.因为一直只有短时间的记忆而被认为是神经科学史上最重要的病人，因为他发生故障的脑部部位非常关键。
1926年H.M生于美国哈特福德市(Hartford)。小时候的H.M.是个健康的男孩，但在一次车祸之后，他患上了癫痫。到他27岁的时候，癫痫已经严重到让他什么都做不了的程度，随时都有可能发作，他每周都要昏厥好几次。神经外科医生斯科维尔（William Scoville）在为他做了各项检查后认为，只要切除H.M.的一部分致病脑组织，就可以减轻他的症状。
1953年9月1日，27岁的H.M.清醒地躺在手术台上，只做了头皮麻醉。斯科维尔在他额头两侧钻了两个小洞，用一根金属吸管吸出了大部分海马组织（Hippocampus）以及海马周围的部分内侧内侧颞叶组织（图7）。手术非常有效，H.M.的癫痫发作频率迅速减少。但是很快，人们发现了一个未曾想到的副作用：自那之后，他就失去了形成新的长时记忆的能力。亨利的生活从此陷入了一个数十秒的意识循环，他对自己的认知，也停留在了27岁这一年。
亨利·莫莱森在接下来的 55 年间作为被试接受了数不胜数的各类测试。他作为神经科学史上被研究次数最多的病例之一，出现在了将近 12000 篇已发表的论文中。科学家们通过对他的研究，逐步揭开了海马体与记忆的神秘面纱。

图 7 接受手术后H.M.病人大脑与正常人大脑的比较 (by Kate Fehlhaber)
2.1 海马体的结构
海马体主要由以下几个区域组成，每个区域都有自己的“工作”（图8）：


图 8 海马体及其纤维联系
2.3 海马体的神经记忆过程
海马体在记忆的形成和巩固过程中起着关键作用，主要包括以下几个步骤[4]：
1．信息编码（Encoding）：当我们体验新的事情或学习新知识时，这些感觉信息会通过内嗅皮层传递到海马体。齿状回像图书馆的接待区，将这些信息进行初步处理，并编码成记忆痕迹。
2．信息存储（Storage）：信息通过CA3区和CA1区进行传递和处理，CA3区像分类区，CA1区像主书架区。在这些区域中，长时程增强（Long-Term Potentiation, LTP）会发生，使得突触连接变得更加强大，从而使信息得以长时间存储。就像图书馆里的书越读越熟悉，越容易找到。
3．信息检索（Retrieval）：当我们需要回忆某件事情时，存储在海马体中的信息会通过内嗅皮层和海马旁回传递到大脑皮层的其他区域。这就像我们在图书馆找到并借阅一本书，然后在其他地方使用。
4．巩固过程（Consolidation）：在睡眠过程中，海马体会将短期记忆巩固为长期记忆，这个过程需要海马体与大脑皮层反复互作。就像图书馆在夜间整理书籍，把新书放到永久存放的书架上。

2.4 与海马体相关的空间记忆研究
我们是如何感知我们所在的空间的，又是如何感知、记忆并且规划机体自身在空间中的位置和运动的？这是所有“动”物都要面临和解决的问题。对于绝大多数需要在自然界中寻找食物和躲避天敌的动物来说，如果缺乏这一关乎生死存亡的能力，其后果可比我们人类严重依赖高科技例如GPS（全球定位系统）而导致的“路痴”要严重得多。 老鼠实验显示，当海马体受损时，老鼠无法记住迷宫的路径。这表明海马体对于空间导航和记忆至关重要（图9）。
下面介绍一些过去的重要实验[5]，展示了利用老鼠进行的研究：


图 9 小鼠的空间记忆研究
约翰·奥杰夫发现了“位置细胞”，认为海马体可能扮演“认知地图”的角色，即环境格局的神经重现。接下来的问题是：位置细胞是如何具有这些特殊性质的？自从奥杰夫发现位置细胞之后，人们普遍猜测，既然海马本身就是一个相对独立的处理空间和记忆的区域，那么位置细胞的独特性质，很可能就来源于海马内部。 然而，这个猜测被之后的两个发现所推翻，其中一个发现就来自于穆瑟夫妇。下面介绍了他们的研究[6]：


图 10 位置细胞和网络细胞的特性
奥杰夫和穆瑟夫妇所发现的位置细胞和网格细胞极大地推动了海马体以及空间记忆的研究[7]。图10介绍了位置细胞和网格细胞的基本特性。上方左侧和右侧两个方框分别对应海马体位置细胞和内嗅皮层网格细胞。灰色曲线代表大鼠的运动轨迹，小点代表当大鼠经过其位置时，某一特定细胞被兴奋并发放动作电位。科学家根据这些动作电位的发放位置，就可以绘制出如圆形区域所示的此细胞的位置野。单个位置细胞只具有单一的位置野（左框内橙色圆形区域），而单个网格细胞具有多个重复排列的位置野（右框内若干深蓝色区域），形成了高度规则的等边三角形网格结构（黑色虚线）。
关于海马体与空间记忆还有一个很有意思的发现。伦敦计程车司机必须要记住很多地点，并且知道这些地点之间最直接的路线（他们必须通过严格的考试，该考试名为“知识”，英文名是“The Knowledge”，才能得到伦敦著名的黑色计程车“black cab”的驾驶执照）。在伦敦大学学院的研究[8]显示，相较于一般民众，伦敦计程车司机的海马体体积较大，至于更有经验的计程车司机的海马体体积又更大（图11）。

图 11 伦敦计程车司机的海马体与空间记忆研究
3. 总结
在这次探秘记忆宫殿的旅程中，我们从古代先贤的哲学思考和初步探索出发，经过现代心理学的兴起，再到神经科学的重大突破，逐步揭开了学习记忆的神秘面纱。通过了解海马体的复杂结构及其在记忆形成中的关键作用，我们更深刻地认识到大脑的非凡功能。
记忆是我们与世界互动的桥梁，是我们学习新知、体验生活和理解自我的基础。海马体作为记忆的中枢，就像一位勤勉的图书馆管理员，精心整理和管理着我们的记忆，为我们提供稳定的知识库和丰富的情感体验。尤其是在探讨H.M.病人的过程中，我们看到了记忆对一个人生活的重要性，也体会到了科学研究在解密人类大脑功能中的巨大价值。
展望未来，科学家们将继续深入探索记忆的机制，力图破解更多关于大脑和记忆的谜题。也许有一天，我们将能够开发出更加先进的治疗方法，帮助那些受记忆损伤困扰的人们恢复他们的记忆功能。更进一步，或许我们能够找到提升记忆能力的新技术，使每个人都能够更高效地学习和生活。

来源: 刘家希原创

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