神經(jīng)科學(xué)原理與教育應(yīng)用

于成龍

大腦的活動：電信號

自從西班牙神經(jīng)學(xué)家圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾與意大利神經(jīng)組織學(xué)家卡米洛·高爾基爭論以來，我們普遍認(rèn)為神經(jīng)元是我們大腦結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，即神經(jīng)元學(xué)說。神經(jīng)元即神經(jīng)細(xì)胞，與膠質(zhì)細(xì)胞一起構(gòu)成大腦的絕大部分。神經(jīng)元之間通過一種名為突觸的特化結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系。突觸包括電突觸與化學(xué)突觸等。以化學(xué)突觸為例，上一個神經(jīng)元（即突觸前神經(jīng)元）的軸突膨大特化為軸突末梢，下一個神經(jīng)元（即突觸后神經(jīng)元）的樹突與其緊密相鄰。電信號傳導(dǎo)到軸突末梢并引起神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，這些神經(jīng)遞質(zhì)被突觸后樹突上的受體捕獲，引起相應(yīng)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(jīng)元的電信號經(jīng)過神經(jīng)遞質(zhì)，轉(zhuǎn)化為突觸后神經(jīng)元的電信號變化，信息得以傳遞。大量的神經(jīng)元通過不同的突觸相互聯(lián)系，形成神經(jīng)環(huán)路來執(zhí)行不同的功能。不同的神經(jīng)環(huán)路相互獨(dú)立又部分重合，聯(lián)系不同腦區(qū)的神經(jīng)元，最終構(gòu)成我們的大腦。電信號是大腦功能的基礎(chǔ)。

神經(jīng)電信號與學(xué)習(xí)記憶

電信號是大腦功能的基礎(chǔ)，是腦內(nèi)信息的載體。掌控腦內(nèi)的電信號就可以調(diào)節(jié)大腦的功能。例如，通過光遺傳激活特定腦區(qū)，可以調(diào)控小鼠的攻擊/求偶行為。通過光刺激激活狨猴的初級運(yùn)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(diào)控負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)和記憶的腦區(qū)。2013年，Susumu Tonegawa（利根川進(jìn)）實驗室的Steve Ramirez和劉旭等人在小鼠的海馬DG區(qū)（Dentate gyrus）注射攜帶c-fos啟動子的光敏感病毒，并成功標(biāo)記了編碼空間記憶的相關(guān)神經(jīng)元。在恐懼記憶訓(xùn)練中，激活標(biāo)記不同籠子空間記憶的神經(jīng)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(chǎn)生恐懼記憶。2019年，Wenchan Zhao等人在鳥類中通過光刺激相關(guān)腦區(qū)，使其學(xué)會特殊的鳴叫。而正常發(fā)育中的鳥類需要模仿和學(xué)習(xí)成年雄性的叫聲才能夠?qū)W會鳴叫。這一研究表明，在鳥類中不通過學(xué)習(xí)而直接刺激相關(guān)腦區(qū)，也可以習(xí)得相應(yīng)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(jīng)典的巴普洛夫條件反射實驗中，經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，狗最終對搖鈴和進(jìn)食建立起了條件反射。1949年，加拿大心理學(xué)家Hebb提出了一個假說，假設(shè)有三個神經(jīng)元，分別負(fù)責(zé)編碼鈴聲信息、食物信息和無關(guān)信息（如天氣）。經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，鈴聲和食物信息總是同時出現(xiàn)，兩個神經(jīng)元也總是一起被激活。二者之間的聯(lián)系得到強(qiáng)化。而無關(guān)信息和他們并不總是同步出現(xiàn)，編碼無關(guān)信息的神經(jīng)元與二者之間的聯(lián)系就會被減弱。簡而言之，神經(jīng)元之間的鏈接不是一成不變的，反復(fù)的同步激活可以強(qiáng)化兩種神經(jīng)元之間的聯(lián)系，即Neurons fire together， wire together。這就是神經(jīng)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(jù)神經(jīng)遞質(zhì)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(qiáng)和減弱的。1973年，T. V. Bliss和T. Lomo發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)被稱為長時程增強(qiáng)，Long-term potentiation（LTP）。1982年，M.Ito和M.Kano發(fā)現(xiàn)，低頻刺激可以誘發(fā)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(fā)現(xiàn)證明，Hebb假說關(guān)于兩神經(jīng)元之間的傳遞效能不是一成不變的，這一觀點(diǎn)是正確的，并存在客觀依據(jù)。但這仍然不能證明突觸傳遞效能的改變就是學(xué)習(xí)記憶的機(jī)制。還缺乏直接證據(jù)。

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

基于這一原理，直接調(diào)控學(xué)習(xí)記憶相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)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(jīng)元，從而使其與電極信息之間建立聯(lián)系，使得小鼠出現(xiàn)錯誤的記憶，誤認(rèn)為是在另外的籠子中收到的電極，從而出現(xiàn)錯誤的逃避行為。更進(jìn)一步，2018年Alexis Bedecarrats等人在海蝸牛（Aplysia）上實現(xiàn)了記憶的移植。在經(jīng)受過電擊的海蝸牛中抽取某種特殊的RNA，并注射到未經(jīng)過電擊的海蝸牛中，其也出現(xiàn)了相應(yīng)的反應(yīng)。相應(yīng)的電生理記錄也發(fā)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(fù)雜，涉及分子、細(xì)胞、環(huán)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(zhuǎn)移RNA能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)。

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