生理学/学习和记忆

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学习和记忆是两个相联系的神经过程。学习指人和运动依赖于经验来改变自身行为以适应环境的神经活动过程。记忆则是学习到的信息贮存和“读出”的神经活动过程。

目录

(一)学习的形式

1.简单学习简单学习不老大哥在刺激和反应之间形成某种明确的联系,又称为非联合型学习(nonassociative learning)。习惯化和敏感化属于这种类型的学习。习惯化是指当一个不产生伤害性效应的刺激重复作用时,机体对该刺激的反射反应逐渐减弱的过程,例如人们对有规律而重要出现的强噪音逐渐不再对它产生反应。敏感化是指反射反应加强的过程,例如一个弱伤害性刺激本仅引起弱的反应,但在强伤害性刺激作用后弱刺激的反应就明显加强。在这里,强刺激与弱刺激之间并不需要建立什么联系。

2.联合型学习经典条件反射和操作式条件反射均属于联合型学习。

(1)经典条件反射:在动物实验中,给狗吃食物会引起唾液分泌,这是非条件反射。给狗以铃声则不会引起唾液分泌,因为铃声与食物无关,这种情况下铃声称为无关刺激。但是,如果每次给狗吃食物以前先出现一次铃声,然后再给以食物,这样多次结合以后,当铃声一出现,动物就会出现唾液分泌。铃声本来是无关刺激,现在由于多次与食物结合应用,铃声具有了引起唾液分泌的作用,即铃声已成为进食(非条件刺激)的信号。所以这时就把铃声称为信号刺激或条件刺激,这样的反射就称为条件反射。可见,条件反射是在后天生活中形成的。形成条件反射的基本条件就是无关刺激与非条件刺激在时间上的结合,这个过程称为强化。任何无关刺激与非条件刺激结合应用,都可以形成条件反射。

(2)操作式条件反射:操作式条件反射比较复杂,它要求动物完成一定的操作。例如,将大鼠放入实验箱内,当它在走动中偶然踩在杠杆上时,即喂食以强化这一操作;如此重复多次,大鼠即学会了自动踩杠杆而得食。然后,在此基础上进一步训练动物只有当再现某一特定的信号(如灯光)后踩杠杆,才能得到食物的强化。在训练完成后,动物见到特定的信号,就去踩杠杆而得食。这类条件反射的特点是,动物必须通过自己完成某种运动或操作后才能得到强化,所以称为操作式条件反射。

(二)条件反射活动活动的基本规律

1.经典条件反射建立需要的基本条件条件反射的建立要求在时间上把某一无关刺激与非条件刺激结合多次,一般条件刺激要先于非条件刺激而出现。条件反射的建立与动物机体的状态有很密切的关系,例如处于饱食状态的运动则很难建立食物性条件反射,动物处于困倦状态也很难建立条件反射。一般来说,任何一个能为机体所感觉的动因均可作为条件刺激,而且在所有的非条件刺激的基础上都可建立条件反射,例如食物性条件反射、防御性条件反射等。

2.经典条件反射的消退条件反射建立之后,如果反复应用条件刺激而不给予非条件刺激强化,条件反射就会逐渐减弱,最后完全不出现。这称为条件反射的消退。例如,铃声与食物多次结合应用,使狗建立了条件反射;然后,反复单独应用铃声而不给予食物(不强化)则铃声引起的唾液分泌量会逐渐减少,最后完全不能引起分泌。巴甫洛夫认为,条件反射的消退是由于在不强化的条件下,原来引起唾液分泌的条件刺激,转化成为引起中枢发生抑制的刺激。从这一观点出发,条件反射的消退并不是条件反射的丧失,而是人原先引起兴奋(有唾液分泌)的条件反射转化为引起抑制(无唾液分泌)的条件反射;前者称为阳性条件反射,后者称为阴性条件反射。

3.人类的条件反射研究动物条件反射的方法,原则上也可用于研究人的条件反射活动;例如,将无关刺激与食物性唾液分泌非条件反射相结合(可用于儿童),或将无关刺激与防御性运动非条件反射相结合等等。此外,人类还可应用词语强化的运动条件反射研究法;例如,当红光在受度儿童面前出现时,实验者说:“按”,受试儿音即用手按压橡皮球。在这一实验中,红光是条件刺激,“按”是词语强化。用词语强化与红光结合2-3次后,如果受试者见到红光信号出现后,立即自动按球,这就形成了对红光的条件反射。

4.两种信号系统学说在人同样可以用光、声、嗅、味、触等感觉刺激作为信号来形成条件反射;这种信号直接作用于眼、耳、鼻、舌、身等感受装置,都是现实具体的信号。此外,抽象的语词也可以代替具体的信号而引起条件反射反应。例如,受试者对每分钟摆动120次的快节拍器声音形成了用温热刺激强化的手臂血管舒张反射,而对每分钟摆动60次的慢节拍器声音形成了用冷刺激强化的血管收缩反射;当这些条件反射被巩固后,实验者对受试者说“快节拍器音”或“慢节拍器音”,这些语词也分别能引起相应有血管舒张或血管收缩反应。如果说具体的信号是第一信号,则相应的语词是第一信号的信号,即第二信号。因此,在人类有两种性质完全不同的信号,第一信号是具体的信号,第二信号(语词)是抽象的信号。巴甫洛夫提出人脑有两个信号系统。第一信号系统是对第一信号发生反应的大脑皮层功能系统,第二信号系统是对第二信号发生反应的大脑皮层功能系统。动物只有一个信号系统,相当于人的第一信号系统;而人类才具有两个信号系统,这是人类区别于动物的主要特征。第二信号系统的发生与发展是人类社会的产物,人类由于社会性劳动与交往产生了语言,语词是现实有概括和抽象化;人类借助于语词来表达其思维,并进行抽象的思维。

(三)记忆的过程

外界通过感觉器官进入大脑的信息量是很大的,但估计仅有1%的信息能被较长期地贮存记忆,而大部分却被遗忘。能被长期贮存的信息都是对个体具有重要意义的,而且是反复作用的信息。因此,在信息贮存过程中必然包含着对信息的选择和遗忘两个因素。信息的贮存要经过多个步骤,但简略地可把记忆划分为两个阶段,即短时性记忆和长时性记忆。在短时性记忆中,信息的贮存是不牢固的,例如,对于一个电话号码,当人们刚刚看过但没有通过反复运用而转入长时性记忆的话,很快便会遗忘。但如果通过较长时间的反复运动,则所形成的痕迹将随每一次的使用而加强起来;最后可形成一种非常牢固的记忆,这种记忆不易受干扰而发生障碍。

人类的记忆过程可以细分成四个阶段(图10-43),即感觉性记忆、第一级记忆、第二级记忆和第三级记忆;前二个阶段相当于上述的短时性记忆,后二个阶段相当于长时性记忆。感觉性记忆是指通过感觉系统获得信息后,首先在脑的感觉区内贮存的阶段;这阶段贮存的时间很短,一般不超过1分钟,如果没有经过注意和处理就会很快消失。如果住处在这阶段经过加工处理,把那引起不持续的、先后进来的信息整合成新的连续的印象,就可以从短暂的感觉性记忆转入第一级记忆。这种转移一般可通过两种途径来实现,一种是通过把感觉性高蛋白的资料变成口头表达性的符号(如语言符号)而转移到第一级记忆,这是最常见的;另一种非口头表达性的途径,这在目前还了解得不多,但它必然是幼儿学习所必须采取的途径。但是,信息在第一级记忆中停留的的时间仍然很短暂,平均约几秒钟;通过反复运用学习,信息便在第一级记忆中循环,从布延长了信息在第一级记忆中停留的时间,这样就使信息容易转入第二级记忆之中。第二级记忆是一个大而持久的贮存系统。发生在第二级记忆内的遗忘,似乎是由于先前的或后来的信息的干扰所造成的;这种干扰分别称为前活动干扰和后活动性干扰。有些记忆的痕迹,如自己的名字和每天都在进行操作的手艺等,通过长年累月的运动,是不易遗忘的,这一类记忆是贮存在第三级记忆中的。

从感觉性记忆至第三级记忆的信息流图解


图10-43从感觉性记忆至第三级记忆的信息流图解

(四)记忆障碍

临床上把记忆障碍分为两类,即顺行性遗忘症(anterogradeamnesia)和逆行性遗忘症(retrograde amnesia)。凡不能保留新近获得的信息的称为顺行性遗忘症。患者对于一个的感觉性信息虽能作出合适的反应,但只限于该刺激出现时,一旦该刺激物消失,患者在数秒钟就失去作出正确反应的能力。所以患者易忘近事,而远的记忆仍存在。本症多见于慢性酒精中毒者。发生本症的机制,可能是由于信息不能从第一级记忆转入第二级记忆;一般认为,这种障碍与海马的功能损坏有关。前文已述及,海马及其环路的功能遭受破坏,会发生近期记忆障碍。凡正常脑功能发生障碍之前的一段时间内的记忆均已丧失的,称为逆行性遗忘症;患者不能回忆起紧接着本症发生前一段时间的经历。一些非特异性脑疾患(脑震荡电击等)和麻醉均可引起本症。例如,车祸造成脑震荡的患者在恢复后,不能记起发生车祸前一段时期内的事情,但自己的名字等仍能记得。所以,发生本症的机制可能是第二级记忆发生了紊乱,而第三级记忆却不受影响。

(五)学习和记忆的机制

1.从神经生理角度看学习和记忆的机制从神经生理的角度来看,感觉性记忆和第一级记忆主要是神经元生理活动的菜单现。神经元活动具有一定的后作用,在刺激作用过去以后,活动仍存留一定时间,这是记忆的最简单的形式,感觉性记忆的机制可能属于这一类,在神经系统中,神经元之间形成许多环路联系,环路的连续活动也是记忆的一种形式,第一级记忆的机制可能属于这一类。例如,海马环路的活动就与第一级记忆的保持以及第一级记忆转入第二级记忆有关。

近年来对突触传递过程的变化与学习记忆的关系进行了许多研究。在海兔(一种海洋软体动物)的缩鳃反射的研究中观察到,习惯化的发生是由于突触传递出现了改变,突触前末梢的递质释放量减少导致突触后电位减少,从而使反射反应逐渐减弱;敏感化的机制是突触传递效能的增强,突触前末梢的递质释放量增加。在高等动物中也观察到突触传递具有可塑性。有人在麻醉兔中,记录海马齿状回颗粒细胞的电活动观察到,如先以一串电脉冲刺激海马的传入纤维前穿质纤维),再用单个电刺激来测试颗粒细胞电活动改变,则兴奋性突触后电位锋电位波幅增大,锋电位的潜伏期缩短。这种易化现象持续时间可长达10小时以上,并被称为长时程增强(long-term potentiation)。不少人把长时程增强与学习记忆联系起来,认为它可能是学习记忆的神经基础。在训练大鼠进行旋转平台的空间分辨学习过程中,记忆能力强的大鼠海马长时程增强反应大,而记忆能力差的大鼠长时程增强反应小。

2.从神经生化角度看学习和记忆的机制从神经生化的角度来看,较长时性的记忆必然与脑内的物质代谢有关,尤其是与脑内蛋白质的合成有关。在金鱼建立条件反射的过程中,如用嘌呤霉素(puromycin)注入动物脑内以抑制脑内蛋白质的合成,则运动不能完成条件反射的建立,学习记忆能力发生明显障碍。人类的第二级记忆可能与这一类机制关系较大。在逆行性遗忘症中,可能就是由于脑内蛋白质合成代谢受到了破坏,以致使前一段时间的记忆丧失。

中枢递质与学习记忆活动也有关。运动学习训练后注射拟胆碱药毒扁豆碱可加强记忆活动,而注射抗胆碱药东莨菪硷可使学习记忆减退。用利血平使脑内儿茶酚胺耗竭,则破坏学习记忆过程。动物在训练后,在脑室内注入γ-氨基丁酸可加速学习。动物训练后将加压素注入海马齿状回可增强记忆,而注入催产素则使记忆减退。一定量的脑啡可使动物学习过程遭受破坏,而纳洛酮可增强记忆。临床研究发现,老年人血液垂体后叶激素含量减少,用加压素喷鼻可使记忆效率提高;用加压素治疗遗忘症亦收到满意效果。

3.从神经解剖角度看学习和记忆的机制从神经解剖的角度来看,持久性记忆可能与新的突触联系的建立有关。动物实验中观察到,生活在复杂环境中的大鼠,其大脑皮层的厚度大,而生活在简单环境中的大鼠,其大脑皮层的厚度小;说明学习记忆活动多的大鼠,其大脑皮层发达,突触的联系多。人类的第三级记忆的机制可能属于这一类。

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