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青春期以后神经元不再增加,为什么人还能再记忆和学习各种东西?

图片:ElisaRiva / CC0

xcsun,MIT神经科学PhD学生,本科毕业于清华大学生物系

目前领域内的普遍认识是:记忆的形成依赖于神经元之间连接网络的改变

一个朴素的理解方式是,每一个神经元类似于一个复杂电路板上单独的电学元件,即使用相同的一套元件,可通过改变它们的连接方式组成不同的电路,从而编码新的记忆。

举一个最简单的记忆形成的例子:巴甫洛夫的狗。实验非常简单,原本狗只对食物产生反应(分泌唾液),学习中巴甫洛夫每次喂食时摇铃铛,于是最终狗一听到铃铛声也会觉得食物要来了,并分泌唾液。在这个简单的例子中,狗进行了学习并且在大脑中记住了铃铛声的特殊意义——即将有食物了。那么狗的大脑是如何形成这个记忆的呢?

下面是一个简化的神经机制模型,试图解释这个记忆形成的过程。假设狗的大脑中有三个神经元参与此记忆: 神经元 1 对食物产生反应,一看到或闻到食物,神经元 1 激活并响应;神经元 2 负责分泌唾液,只要神经元 2 激活,狗就会分泌唾液;神经元 3 对铃铛声产生反应,一听到铃铛声,神经元 3 激活并响应。

学习前,神经元 1 与神经元 2 原本就相连,并且 1 是 2 的上游,只要神经元 1 激活,神经元 2 也激活。于是,在学习前,当有食物时,神经元 1 激活,通过天生具有的神经环路激活神经元 2,使狗分泌唾液。这是狗的本能行为,与生俱来,与学习无关。

学习中,当巴甫洛夫做实验时,既提供食物,又摇铃铛,于是神经元 1、2、3 同时激活。神经元 2 与 3 的同时激活,通过神经可塑性机制(暂且不展开,之后会解释),神经元 2 与 3 之间的连接增强,产生了一条原本不存在,而学习后产生的神经环路,使得神经元 2 可激活神经元 3。这条新产生的神经环路是关键,此时记忆已经产生。

学习后,当仅有铃铛声时,神经元 3 激活。而此时,神经元 3 通过学习产生的神经环路可进一步激活下游的神经元 2,从而引起唾液分泌反应。狗已经记住了铃铛声,以及其声音背后的意义(食物)。

当然,这是一个再简化不过的模型了,实际记忆形成的神经机制远比这个例子复杂,然而背后的原理确是相同的:大脑通过改变神经元之间的神经环路网络来学习,并编码新的记忆。值得一提的时,时下盛行的深度神经网络也正是借鉴这个思想,通过改变虚拟神经元之间的连接强度("Weights"),识别人脸、指纹、声音,甚至下围棋...

最后谈两个相关问题:1)什么是之前提到的,学习中的神经可塑性机制?实验者们发现,当两个神经元同时高强度激活时,它们之间的连接可以被增强,而且这种增强能够持续多天、多月甚至更久,这一机制叫做“长时程增强(long-term potentiation)”。这样的机制实实在在地存在我们的大脑中,而且每天都在不停的发生(比如当你现在在读这篇知乎回答的时候)。它被认为是记忆形成的关键机制之一。2)人在青春期后神经元到底还会不会增加?会,但是局限于局指可数的大脑区域。并且,新增神经元量与原有神经元量相比很小。所以,人们普遍认为成年大脑的新神经元产生不是记忆产生的决定性机制,但可能有辅助功能。

如感兴趣也可关注我之前的知乎 Live“对大脑存储记忆的科学探索”。

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