学习和记忆的认知神经科学研究

周晓林、杨炯炯

自从Ebbinghaus采用实验的方法来研究记忆过程以来，学习和记忆一直是心理学、神经生物学等相关领域的研究中最为活跃的方向之一，在心理学发展历史中有重要影响的许多学派对学习和记忆的现象和规律也有不同的论述和实验研究。相对于其它高级心理活动，如思维、表象、意识等，学习记忆的研究非常之多，而由于它的可操作性，也研究得较为深入。由于认知科学和神经科学的相互融合，学习和记忆的认知神经科学研究在近年来又呈现出新的高峰。

一、学习和记忆研究的历史回顾

早在19世纪，当冯特创立了世界上第一个心理实验室时，认为记忆等高级心理过程是不能用实验的方法研究的，只能依靠被试的主观报告。而同时代的Ebbinghaus对记忆现象进行了开创性的实验研究，并于1885年发表了著名的《记忆》一书，影响并激励着以后的人们对记忆进行更为深入的探索。在Ebbinghaus之后，记忆成为实验心理学中实验研究最多的领域之一。而以Watson和Skinner为代表的行为主义心理学认为心理学不应该研究意识，只应该研究行为，阐明刺激与反应之间的规律性关系，这样就可以根据刺激推知反应，预测和控制行为。他们在研究方法上主张采用客观的观察法，条件反射法等。在相当长的一段时间里，心理学研究中行为主义占据着统治地位。

到了本世纪60年代，由于信息加工的观点引入了心理学，认为人的大脑类似于计算机，编码、贮存、提取是人脑对外界信息加工的基本过程。人们开始用自由回忆、线索回忆、再认及各种记忆判断的方法代替原有的研究范式。首先是两种记忆过程理论的建立，将记忆过程分为短时记忆和长时记忆两个阶段，此外还发展了工作记忆理论、加工层次理论。在这一阶段，过去相互隔绝的领域--认知心理学和神经心理学之间已有一些交叉的研究，认知心理学所关心的不仅是简单的刺激输入和行为输出，对于感觉刺激是如何转变为知觉和行为的信息加工过程也试图作一些阐明。

从80年代至今，记忆的研究进入了崭新的领域，多学科发展和认知神经科学的研究途径是这一阶段的主要特点。对内隐记忆的长期深入的研究使多重记忆系统的理论不断完善，启动效应和记忆系统是这个阶段的支配概念。通过对遗忘症病人的研究及其它方面的研究，多重记忆系统理论认为，记忆并不是人们先前所认为的那样是一个统一体，而是存在着结构和功能不同的多个记忆系统，它们分别中介于不同的记忆形式。这一时期明显的特点是将纯粹的心理学研究与神经科学研究紧密地结合起来，也由此对记忆乃至心理学的研究有着深远的影响。多种研究方法的出现和结合也促进了这一阶段的研究，如脑功能成像技术、神经心理学方法、计算机模型的研究等。

二、多重记忆系统

认知神经科学以多重记忆系统（multiple memory system，简称系统说）为理论基础，研究不同记忆系统的特征及神经基础。系统说以实验性分离为依据，虽然有关记忆系统的分类不统一，但都认为脑内存在着结构和功能不同的多个记忆系统。我们对于多重记忆系统的认识大多来自对脑损伤后记忆障碍病人的分离现象的研究。其次，动物实验、脑功能成像研究等也是研究学习记忆的重要方法。记忆分为短时记忆和长时记忆两大类。Schacter（1987）又将长时记忆分为外显记忆和内隐记忆两种，而Squire等（1993）则将长时记忆分为陈述性记忆和非陈述性记忆两大类，它们又分别包括不同的记忆形式

三、研究领域

学习记忆的认知神经科学研究领域非常广泛，通过采用脑功能成像技术、神经心理学方法、动物实验和计算机模型等方法相互结合的研究思路，近年来学习记忆的研究有了相当大的进展。

（一）、工作记忆

Baddeley等（1991）提出的工作记忆模型包括三个部分，即中央执行系统（central executive system）、语音回路（phonological loop）和视觉空间储存（visuospatial sketchpad）。工作记忆的概念来自一种假设：某种形式的信息储存对于许多认知活动，如学习记忆、推理等，是必需的。它可以在短时间内贮存和保持信息。

工作记忆与额叶功能有很大的关系，尤其是背外侧前额叶（dPFC）。1969年，Tim Shallice & Elizabeth Warrington报道了一例病人K.F.，左侧perisylvian损伤引起数字广度减小（两位），在自由回忆中没有近因效应，但长时回忆能力正常。额叶损伤病人在延缓反应和延缓交替反应中同样受损，尤其是双侧损伤时。脑功能成像研究进一步揭示了工作记忆的神经基础。在空间工作记忆任务中，46区较为活跃，右侧大于左侧。研究表明，被试在完成短时记忆（STM）和长时记忆（LTM）任务时，都可以激活右侧额叶、双侧顶叶和左小脑，但和LTM相比，完成STM任务时左前额叶的激活程度较大。D'Esposito等采用双任务法观察到，被试在同时完成语义判断任务和空间旋转任务时，dPFC的血流增加，其活动是中央执行系统的神经机制。一项听觉工作记忆实验也表明，当要求被试立即判断两个音的音高是否相同时，可以激活右下及右上前额叶（47、11及6区）、扣带回，而在延迟后回答则会明显激活双侧dPFC。同时，脑功能成像结果与动物实验一致，也表明与空间信息有关的加工过程与dPFC有关。当呈现20个点阵图，要求被试3s后再认，并以知觉任务作为控制，发现被试的46区激活明显，且右侧大于左侧。

（二）、情节记忆

陈述性记忆是长时记忆的一种，它是指需要有意识提取的记忆，它包括情节记忆和语义记忆两种。情节记忆是指有关个人的自传性质的记忆形式，而语义记忆则是指事实和有关世界的知识。

遗忘综合症（amnesic syndrome, amnesia）是脑受损后（疾病、损伤、应激等）引起的记忆障碍，对遗忘症病人的研究，并结合记忆的认知理论，我们可以在功能层次和神经生物学层次上深入理解记忆的组织，包括短时记忆与长时记忆、情节记忆与语义记忆、外显记忆与内隐记忆等。研究表明，海马区是与情节记忆有关的重要部位，单纯的双侧海马损伤就可以引起遗忘症，但其邻近皮质对学习记忆也有影响，而且记忆障碍的程度与损伤部位和大小均有密切关系。

此外，额叶参与情节记忆的编码和提取过程，研究者们发现，额叶两侧在情节记忆的编码和提取中所起的作用不同，左侧更多地参与从语义记忆系统中提取信息并同时对其新异之处编码，右侧则主要与情节记忆的信息提取有关。Tulving等曾对此提出了有关PF功能的HERA模型（hemispheric encoding / retrieval asymmetry model）。

学习记忆会伴随神经元之间突触可塑性的变化，1960s发现了海马部位的LTP（long-term potentiation）现象，被认为是与学习记忆相关的机制，与记忆的储存有关。

（三）、语义记忆

语义记忆是指的关于事实和概念的一般性知识。语义记忆与获得这些知识与特定时间和地点无关。如情节记忆可以记得去某地旅游（如北京）的情景，而语义记忆则是指知道北京是中国的首都。

一般认为，遗忘症病人的情节记忆和语义记忆都有受到损害。但是比较情节记忆与语义记忆的损伤程度是较为困难的，因为情节记忆是指不能重复的事件，而获得语义知识将依赖于信息的重复，因此，遗忘症的情节记忆损伤要大于语义记忆。其次，它们之间的比较还依赖于对语义记忆的定义，遗忘症的有些语义知识受损（如学习新知识的能力），而有些语义记忆保留（如学习人工语法的能力等）。在这方面是存在较大争论的。脑损伤病人的研究发现，有特定分类的语义记忆障碍，如有生命-无生命的分类。

（四）、内隐记忆

内隐记忆（implicit memory）又称非陈述性记忆（non-declarative memory），它是指对先前的经验不需要经过有意识提取的一类记忆形式（Schacter, 1987），与之相对的是外显记忆（explicit memory）或陈述性记忆（declarative memory）。在过去的20多年里，对内隐记忆的研究在认知心理学、神经心理学和神经科学等各个领域中都逐渐深入。国内一些学者于80年代末也开始了对汉字启动效应的研究（朱滢等, 1989, 1991；杨治良, 1991），近些年有关内隐记忆的研究逐渐增多，范围也逐渐扩展，包括理论探讨、态度形成和临床应用等。内隐记忆包括多种形式，如启动效应、程序性记忆、内隐学习、习惯形成、条件反射等。

启动效应（priming effects）是内隐记忆的主要形式之一，即执行某一任务对后来执行同样或类似任务的促进作用（朱滢, 1992）

1、启动效应

知觉表征系统（PRS）是对形式和结构的加工及表征系统，与词或物体的意义或联系无关。PRS是与知觉启动相关的记忆系统，它的发生也较早，对药物不敏感。

认知心理学的研究对于阐明启动效应的性质是很重要的，但要对启动效应有更为深入的理解，就必须对它的神经机制进行研究，包括对脑损伤病人的研究和脑功能成像研究。

遗忘症病人学习新知识的能力下降，他们常常不能记住新学习的东西，对发病前的知识也有遗忘，外显记忆严重受损。但是另一方面，遗忘症病人在许多知觉启动任务中表现出正常的启动效应。因此，知觉启动可能发生在知觉加工过程的早期阶段，也就是说，在语义分析和海马结构参与记忆形成之前，其脑结构与支持外显记忆的内侧颞叶－间脑系统相分离。而且，在一例双侧枕叶受损病人（L.H.）和一例双MTL受损病人（H.M.）间出现了内隐记忆和外显记忆的双分离现象，其中H.M.外显记忆受损而知觉启动完好，L.H.的知觉启动受损，外显记忆正常（Keane et al, 1995）。双分离的实验证据表明内隐记忆和外显记忆依赖于不同的脑结构或记忆系统。枕叶视皮质参与了视知觉启动，并和内侧颞叶－间脑系统、参与语义启动的联合皮质相分离。采用脑功能成像的研究结果与神经心理学的基本吻合，并有进一步的阐明。 除知觉启动外，对概念型启动、联想启动的研究尚存在较多争论。

2、程序性记忆

除启动效应外，遗忘症还可以学习一些程序性知识，包括知觉的、运动的、认知技能、习惯和有关序列（serial reaction time task）的内隐知识等，并与外显记忆分离。

Scott Grafton等（1995）曾采用PET，以双任务以实验任务，研究了序列学习相关的脑机制问题。被试对刺激序列进行反应，同时要数在声音序列中低频的数目，结果表明，双任务条件下激活了运动前区、左侧SMA区和双侧壳核。当听觉干扰任务去除后，7/12意识到序列的存在，右dPFC、右侧运动前区、右侧壳核及双侧顶枕皮质均被激活。二者的不同在右侧颞叶、两侧顶叶、右侧运动前区和扣带回前部。与来自TMs等研究相结合，结果表明，运动区参与运动模式的程序性学习。在对Huntington's病人的研究中，也发现了与遗忘症双分离的现象，他们的程序性学习受损，而补笔等内隐记忆正常。

3、非陈述性记忆的细胞及分子机制

对非陈述性记忆细胞机制的研究是从Kandel对海兔（Aplysia）和Benzer对果蝇（Drosophila）开始的。这些动物的大脑结构比较简单，神经元较少，因而适于用来研究细胞和分子机制。

对海兔的缩鳃反射等的研究表明，非陈述性记忆的储存主要依赖于信息的加工，贮存于产生行为的神经通路。而在陈述性记忆中，内侧颞叶系统是其储存地。这方面的研究也揭示了与记忆相关的突触可塑性的变化。与陈述性记忆相同，非陈述性记忆的长时贮存也需要新的蛋白质的合成。因此，短时记忆是对已存在的蛋白质和突触联结的调制，而长时记忆则是包括CREB中介的基因表达、蛋白质合成和突触联结的增强。