神經科學原理與教育應用

于成龍

大腦的活動：電信號

自從西班牙神經學家圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾與意大利神經組織學家卡米洛·高爾基爭論以來，我們普遍認為神經元是我們大腦結構和功能的基本單位，即神經元學說。神經元即神經細胞，與膠質細胞一起構成大腦的絕大部分。神經元之間通過一種名為突觸的特化結構相互聯系。突觸包括電突觸與化學突觸等。以化學突觸為例，上一個神經元（即突觸前神經元）的軸突膨大特化為軸突末梢，下一個神經元（即突觸后神經元）的樹突與其緊密相鄰。電信號傳導到軸突末梢并引起神經遞質的釋放，這些神經遞質被突觸后樹突上的受體捕獲，引起相應離子通道的開放，并改變局部膜電位，即突觸后電位。這樣突觸前神經元的電信號經過神經遞質，轉化為突觸后神經元的電信號變化，信息得以傳遞。大量的神經元通過不同的突觸相互聯系，形成神經環路來執行不同的功能。不同的神經環路相互獨立又部分重合，聯系不同腦區的神經元，最終構成我們的大腦。電信號是大腦功能的基礎。

神經電信號與學習記憶

電信號是大腦功能的基礎，是腦內信息的載體。掌控腦內的電信號就可以調節大腦的功能。例如，通過光遺傳激活特定腦區，可以調控小鼠的攻擊/求偶行為。通過光刺激激活狨猴的初級運動皮層可以觀察到明顯的手部活動。除此之外，甚至可以在小鼠等動物上直接調控負責學習和記憶的腦區。2013年，Susumu Tonegawa（利根川進）實驗室的Steve Ramirez和劉旭等人在小鼠的海馬DG區（Dentate gyrus）注射攜帶c-fos啟動子的光敏感病毒，并成功標記了編碼空間記憶的相關神經元。在恐懼記憶訓練中，激活標記不同籠子空間記憶的神經元，成功在小鼠上制造了錯誤的恐懼記憶。小鼠誤以為是在另一個籠子中受到電擊，從而對其產生恐懼記憶。2019年，Wenchan Zhao等人在鳥類中通過光刺激相關腦區，使其學會特殊的鳴叫。而正常發育中的鳥類需要模仿和學習成年雄性的叫聲才能夠學會鳴叫。這一研究表明，在鳥類中不通過學習而直接刺激相關腦區，也可以習得相應的鳴叫能力。

為了理解其中的原理，我們需要理解Hebb假說。在經典的巴普洛夫條件反射實驗中，經過反復訓練，狗最終對搖鈴和進食建立起了條件反射。1949年，加拿大心理學家Hebb提出了一個假說，假設有三個神經元，分別負責編碼鈴聲信息、食物信息和無關信息（如天氣）。經過反復訓練，鈴聲和食物信息總是同時出現，兩個神經元也總是一起被激活。二者之間的聯系得到強化。而無關信息和他們并不總是同步出現，編碼無關信息的神經元與二者之間的聯系就會被減弱。簡而言之，神經元之間的鏈接不是一成不變的，反復的同步激活可以強化兩種神經元之間的聯系，即Neurons fire together， wire together。這就是神經可塑性。

Hebb假說很快在實驗上得到證實。我們知道，突觸前的電信號通過突觸傳遞可以引起突觸后的電信號改變，即突觸后電位（postsynaptic potential，PSP）。根據神經遞質的不同，又可分為興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic potential， EPSP）和抑制性突觸后電位（inhibitory postsynaptic potential， IPSP）。以EPSP為例，其幅度并不是一成不變的，而是可以增強和減弱的。1973年，T. V. Bliss和T. Lomo發現，施加高頻刺激后，EPSP顯著提升，并可維持一段時間。后來這種突觸后膜電位的增強被稱為長時程增強，Long-term potentiation（LTP）。1982年，M.Ito和M.Kano發現，低頻刺激可以誘發EPSP的降低。這種突觸后膜電位的減弱被稱為長時程抑制（Long-term depression，LTD）。這些發現證明，Hebb假說關于兩神經元之間的傳遞效能不是一成不變的，這一觀點是正確的，并存在客觀依據。但這仍然不能證明突觸傳遞效能的改變就是學習記憶的機制。還缺乏直接證據。

2006年，Mark F.Bear在Science雜志上發表了一篇論文，為學習記憶與神經可塑性之間的關系提供了直接證據。研究者通過在海馬腦區插入多通道電極，記錄海馬內神經元的電生理活性。在后面的行為學實驗中（one-trial inhibitory avoidance），隨著大鼠的學習，實時的電生理記錄中觀測到某些海馬神經元的膜電位增強。這是第一次直接觀測到學習引起的LTP。最后，隨著脈沖時序依賴可塑性（STDP， Spike timing-dependent plasticity）的發現，Hebb假說被完全證實。

基于這一原理，直接調控學習記憶相關腦區神經元的活性，從而改造甚至偽造記憶成為可能。在2013年Steve Ramirez和Xu Liu等人的工作中，就是通過激活編碼錯誤籠子空間信息的神經元，從而使其與電極信息之間建立聯系，使得小鼠出現錯誤的記憶，誤認為是在另外的籠子中收到的電極，從而出現錯誤的逃避行為。更進一步，2018年Alexis Bedecarrats等人在海蝸牛（Aplysia）上實現了記憶的移植。在經受過電擊的海蝸牛中抽取某種特殊的RNA，并注射到未經過電擊的海蝸牛中，其也出現了相應的反應。相應的電生理記錄也發生了改變。但這并不代表在高等動物，甚至人類中可以通過簡單的傳遞RNA的方式傳遞記憶。因為高等動物的記憶編碼比較復雜，涉及分子、細胞、環路等不同水平的改變，其時空特異性高度保守，也極其敏感。在低等動物上簡單的轉移RNA能夠實現的記憶移植，在高等動物上還為時過早。但是，我們有理由相信，晶體記憶（如肌肉記憶等）的修飾、改寫方式的改變將會在不久的將來實現。

本文為深圳市教育科學2019年度規劃課題“以腦為導向的中小學課程整合與教學研究”（課題號：zdzz19044）的研究成果。