記憶增強效應的神經機制

楊炯炯

學習記憶是人類非常重要的認知功能，學習記憶功能就像一臺時間機器，將我們的過去、現在和將來聯系在一起。記憶功能還會影響當下我們很多任務的決策，影響我們對未來的期望。不同的人群對增強學習記憶能力都有很強的訴求。正常人希望自己具有非常好的記憶能力，能夠舉一反三，能夠過目不忘，能夠倒背如流。而在老年人和腦損傷病人當中，學習記憶障礙是經常最先出現的方面，所以對于他們來講，是希望其學習記憶能力能夠保持甚至有一定程度的恢復。而對于重大生活事件后的病人，希望創傷性的記憶能夠消退或者減弱。所以我們能夠看到，無論是正常人群還是特殊人群，都希望對記憶功能有所操縱。對于記憶是不是能夠被操縱，被操縱的神經機制是什么，是記憶研究中非常重要的課題之一。

什么是學習記憶？簡單來說，學習是獲得新知識的過程，而記憶是在其后的某一時間將之前所學習的知識保持并提取出來的過程。從記憶過程來區分，記憶可以分為編碼、儲存、鞏固和提取四個部分，其中編碼過程可以看作是學習過程。從保持時間來區分，記憶可以分為短時記憶和長時記憶，其中長時記憶分為外顯記憶和內隱記憶，它們以是否有意識回想所獲得的知識來區分，如果是有意識回想，就認為這種記憶是外顯的。其中，如果回想出來是非常生動的、具有有關時間、地點以及有關個體經歷的具體信息，就將這樣的外顯記憶稱之為情節記憶 （Tulving， 2002）。情節記憶在生活中是非常重要的，也是跟日常生活關系最為密切的記憶形式。在老年人當中，最先表現出來的受損狀況就是情節記憶的受損。

外顯記憶的關鍵腦結構位于內側顳葉系統，其中包括大家耳熟能詳的海馬結構。除了海馬之外，內側顳葉系統還包括三個皮層結構，它們共同組成海馬旁區。海馬或海馬旁區的功能是有所分離的，但無論是哪一個區域的損傷都會引起嚴重的外顯記憶問題，即嚴重的遺忘癥。遺忘癥是一種選擇性的記憶損傷，病人有學習新知識能力的明顯下降以及對之前鞏固好的知識的選擇性遺忘。非常著名的病人H.M.由于難治性癲癇進行了雙側顳葉切除術，之后他很難學會新的知識。雖然他的語言功能沒有問題，也可以對當下的事情進行加工，但是他不知道剛剛之前這一刻發生了什么（Milner， 1970; Corkin， 2002）。因此內側顳葉損傷的是長時記憶過程，而不是短時記憶。這些病人無論在圖片回憶、詞對的聯想學習，語詞回憶和語詞再認中，都和正常對照組有明顯區別。海馬損傷不只發生在成年人中，如果在小孩子的時候，包括圍產期，有某些疾病或者缺氧狀態，也會使得海馬或內側顳葉系統受損，表現出和H.M.等成年病人記憶受損相似的障礙，例如他們可以拷貝復雜的圖形，但是基本沒有新的情節記憶形成（Vargha-Khadem et al.， 1997）。

另外前額葉也參與了記憶過程，它分為四個部分，包括腹內側前額葉，背外側前額葉，腹外側前額葉和眶額葉。這四個分區在認知中的作用是不一樣的，它們參與長時記憶的分離機制還不是特別清楚，但總體上講，它們的作用都非常重要。前額葉損傷之后，并不會形成內側顳葉系統損傷之后的嚴重記憶障礙，但是當記憶需要提取或者編碼某些線索信息，或者需要抑制無關信息時，記憶成績會下降，提示前額葉參與其中（Simons & Spiers， 2003）。這有可能通過海馬和前額葉之間的相互作用完成，但是具體的機制還在研究之中。除了內側顳葉系統和前額葉之外，其他腦區，包括顳葉前部和外側部，都會參與到長時記憶當中，在此不再展開來講。

當我們已經知道，長時記憶是如何通過大腦的不同部分相互作用來完成的，下一個問題就是記憶是否可以被增強。我們說記憶增強，也就是說能夠學很少的次數就學會，學會之后的信息不會忘記，能夠保持很長時間。而且，通過記住某些知識，我們可以將它與另外的知識相聯系，促進相關認知功能的增強。過目不忘是人們美好的愿望，但是從記憶的基本規律來看，我們不可能把所有的信息都記住。標準的遺忘曲線顯示，在單次學習無意義的刺激后，我們只可以記住大概百分之五六十的信息，而且會經歷非常快速的遺忘過程，比如在一天之后，只剩下三分之一的信息被我們記住。那么記憶增強是否可能，又是如何發生的呢？我們知道，有一些人具有超群的記憶能力，這些人是否具有與我們正常人不一樣的大腦結構，還是有不一樣的其他認知功能呢？在十多年的研究中，基本的結論是這些記憶超群者的腦結構跟正常人沒有太多的差別（Maguire et al.， 2003），他們能夠在短時間內記住非常多的信息，主要有賴于與正常人不同的腦功能記憶網絡。最近的研究還發現，雖然這些記憶超群者的大部分腦結構與正常人沒有明顯差異，但是他們的海馬容量比正常被試更大，而且其記憶的世界排名越高，表現出來的海馬和某些腦區的連接程度越強（Muller et al.， 2017）。研究表明，通過采用和記憶超群者相似的訓練方式，也可以使得正常被試擁有比較好的記憶功能（Dresler et al.， 2017）。但是，這樣的記憶訓練需要的時間非常長，并不一定適用于所有的正常人，以及有記憶障礙的老年人和腦損傷病人。而我們在日常生活中比較常見的記憶增強效應，是不是也可以在神經機制上和記憶超群者有相似的變化呢？

三種不同的記憶增強效應的神經機制

我們近年對重復學習效應、分散學習效應和圖式對記憶的促進作用進行了研究，發現了一些有意義的結果。

重復學習效應是應用最為廣泛的一種記憶增強效應，通過重復學習刺激，記憶成績通常會有顯著的提高。例如，在我們的一個研究中，要求被試記憶名人的面孔和著名場景之間的聯系，其中一組被試學習1次，另外一組學習6次，之后在fMRI掃描的時候，測試被試對于面孔和場景聯系的記憶（Zhan et al.， 2018）。結果發現，學習6次比學習1次后的記憶行為結果要好。在腦活動方面，與1次學習后相比，雙側海馬以及額葉前部和扣帶回后部等腦區的活動顯著增強，表現出重復學習效應。進一步發現，當重復學習6次之后，雙側海馬和負責場景聯系的后皮質區的聯系也顯著增強，而學習一次之后，海馬與額葉前部的聯系顯著增強。

分散學習效應，則是指在重復學習中有兩種不同的學習方式，一種是集中學習，將某些刺激在無間隔或間隔較小的情況下多次學習，另一種是分散學習，即重復學習時的間隔較大，有時會間隔一天。分散學習后的記憶成績會明顯好于集中學習（Cepeda et al.， 2006）。采用上述的面孔-場景的聯系材料，要求被試一天內連續學習它們之間的聯系6次，或是每天學習2次，共學習3天它們之間的聯系，也進行記憶提取時的fMRI掃描，結果發現，通過分散學習可以提高遠期的聯想記憶的成績。和集中學習相比，分散學習也增強了海馬活動，還增強了背外側前額葉的活動，以及它們之間的聯系程度。因此，可以看到，重復學習之后顯著增強的是海馬、前額葉的活動以及它們之間的聯系，但在不同的重復學習方式下，前額葉的不同分區的參與程度有所差別。

最后，有關圖式對情節記憶的影響機制的研究。圖式指的是當我們具有一定先驗知識后，在學習新的相關知識時，其記憶的效果會更好，而且忘得更慢，研究認為通過圖式的作用，可以將新的知識快速鞏固到先前的知識系統之中，從而增強記憶（Van Kesteren et al.， 2012）。這一現象在日常生活中也有廣泛的應用，例如，若我們具有某一領域的專業知識，那么再學習新的相關知識就會學得更快，記憶成績也更好。在實驗室研究中，可以通過訓練，使得被試對某些知識形成圖式，如在某一環境中的有關物體-位置之間的聯系（Tse et al.， 2007）。之后在圖式一致和不一致的條件下，再次學習新的物體-位置之間的聯系。與預測一致，對于圖式一致組，新的物體-位置之間的聯系的記憶成績更好，主要表現為在24小時后的記憶成績，但在當天的記憶中增強效應不明顯。在神經機制上，當被試需要提取圖式一致的信息時，海馬前部活動的增強，而沒有后部的增強。另外，腹內側前額葉的活動和海馬之間的連接強度，在功能上是有所分離的。腹內側前額葉與海馬前部的連接在圖式一致時增強，而它與海馬后部的連接則在圖式不一致條件時增強，這提示海馬的前后部的功能，以及它們與腹內側前額葉的聯系在提取不同信息時的作用不同。

如何理解和應用記憶增強的效應呢？

首先可以看到，不同的記憶增強效應對記憶的不同方面有選擇性的影響。采用重復學習，主要增強近期的記憶成績，而采用分散學習，主要增強的是遠期記憶成績。如果采用的是圖式學習，主要改善睡眠之后的記憶成績，而對當前的記憶效果并不比重復學習要好。

其次，記憶增強效應都顯著增強了海馬的活動，這也與一些記憶超群者的研究結果有一定的相似之處，因為與正常被試相比，記憶超群者的海馬容量更大。而在記憶增強效應中一致發現了海馬活動的增強，而且還存在海馬前部和后部的功能分離。所以我們看到，采用比較簡單的記憶增強的實驗范式，有可能得到相似的腦功能變化。

同時，記憶增強效應與前額葉的功能密切相關。當我們要成功提取學習1次之后的面孔-場景的聯系時，需要腹外側前額葉的參與，以對線索進行語義化加工和選擇性提取。但是當我們多次學習，尤其是分散學習之后，這時候我們的記憶就變得非常靈活，這時候就需要背外側前額葉進行更好的記憶組織，進行更強大的對無關信息的抑制。而在圖式相關的記憶提取中，我們發現的是腹內側前額葉的活動，它的主要作用是將先前的知識提取出來，和現在的情境進行聯系，對現在的情境進行估計，以實驗對記憶的主動控制。

綜上所述，在教育領域對不同年齡的人群，需要采用不同的學習方式，要因“腦”施教。我們知道海馬和前額葉的結構，在不同的年齡階段的發育程度有所差異。在4-20歲之間，主要的腦容量變化是皮層的灰質和白質，尤其是額葉和頂葉的容量增長比較明顯（Giedd et al.， 1999）。研究結果還可以看到，隨著年齡的增長，情節記憶的成績越來越好，而且記憶成績的變好和海馬的功能正相關，以及和海馬--前額葉之間的聯系正相關 （e.g.， Ofen et al.， 2012）。這提示我們，在進行課堂教學時，需要結合孩子大腦的發育狀態，結合不同的教學目的，采用不同的教學方法或者學習方式，以期有效地提高記憶的不同方面。