神经科学原理与教育应用

于成龙

大脑的活动：电信号

自从西班牙神经学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔与意大利神经组织学家卡米洛·高尔基争论以来，我们普遍认为神经元是我们大脑结构和功能的基本单位，即神经元学说。神经元即神经细胞，与胶质细胞一起构成大脑的绝大部分。神经元之间通过一种名为突触的特化结构相互联系。突触包括电突触与化学突触等。以化学突触为例，上一个神经元（即突触前神经元）的轴突膨大特化为轴突末梢，下一个神经元（即突触后神经元）的树突与其紧密相邻。电信号传导到轴突末梢并引起神经递质的释放，这些神经递质被突触后树突上的受体捕获，引起相应离子通道的开放，并改变局部膜电位，即突触后电位。这样突触前神经元的电信号经过神经递质，转化为突触后神经元的电信号变化，信息得以传递。大量的神经元通过不同的突触相互联系，形成神经环路来执行不同的功能。不同的神经环路相互独立又部分重合，联系不同脑区的神经元，最终构成我们的大脑。电信号是大脑功能的基础。

神经电信号与学习记忆

电信号是大脑功能的基础，是脑内信息的载体。掌控脑内的电信号就可以调节大脑的功能。例如，通过光遗传激活特定脑区，可以调控小鼠的攻击/求偶行为。通过光刺激激活狨猴的初级运动皮层可以观察到明显的手部活动。除此之外，甚至可以在小鼠等动物上直接调控负责学习和记忆的脑区。2013年，Susumu Tonegawa（利根川进）实验室的Steve Ramirez和刘旭等人在小鼠的海马DG区（Dentate gyrus）注射携带c-fos启动子的光敏感病毒，并成功标记了编码空间记忆的相关神经元。在恐惧记忆训练中，激活标记不同笼子空间记忆的神经元，成功在小鼠上制造了错误的恐惧记忆。小鼠误以为是在另一个笼子中受到电击，从而对其产生恐惧记忆。2019年，Wenchan Zhao等人在鸟类中通过光刺激相关脑区，使其学会特殊的鸣叫。而正常发育中的鸟类需要模仿和学习成年雄性的叫声才能够学会鸣叫。这一研究表明，在鸟类中不通过学习而直接刺激相关脑区，也可以习得相应的鸣叫能力。

为了理解其中的原理，我们需要理解Hebb假说。在经典的巴普洛夫条件反射实验中，经过反复训练，狗最终对摇铃和进食建立起了条件反射。1949年，加拿大心理学家Hebb提出了一个假说，假设有三个神经元，分别负责编码铃声信息、食物信息和无关信息（如天气）。经过反复训练，铃声和食物信息总是同时出现，两个神经元也总是一起被激活。二者之间的联系得到强化。而无关信息和他们并不总是同步出现，编码无关信息的神经元与二者之间的联系就会被减弱。简而言之，神经元之间的链接不是一成不变的，反复的同步激活可以强化两种神经元之间的联系，即Neurons fire together， wire together。这就是神经可塑性。

Hebb假说很快在实验上得到证实。我们知道，突触前的电信号通过突触传递可以引起突触后的电信号改变，即突触后电位（postsynaptic potential，PSP）。根据神经递质的不同，又可分为兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential， EPSP）和抑制性突触后电位（inhibitory postsynaptic potential， IPSP）。以EPSP为例，其幅度并不是一成不变的，而是可以增强和减弱的。1973年，T. V. Bliss和T. Lomo发现，施加高频刺激后，EPSP显著提升，并可维持一段时间。后来这种突触后膜电位的增强被称为长时程增强，Long-term potentiation（LTP）。1982年，M.Ito和M.Kano发现，低频刺激可以诱发EPSP的降低。这种突触后膜电位的减弱被称为长时程抑制（Long-term depression，LTD）。这些发现证明，Hebb假说关于两神经元之间的传递效能不是一成不变的，这一观点是正确的，并存在客观依据。但这仍然不能证明突触传递效能的改变就是学习记忆的机制。还缺乏直接证据。

2006年，Mark F.Bear在Science杂志上发表了一篇论文，为学习记忆与神经可塑性之间的关系提供了直接证据。研究者通过在海马脑区插入多通道电极，记录海马内神经元的电生理活性。在后面的行为学实验中（one-trial inhibitory avoidance），随着大鼠的学习，实时的电生理记录中观测到某些海马神经元的膜电位增强。这是第一次直接观测到学习引起的LTP。最后，随着脉冲时序依赖可塑性（STDP， Spike timing-dependent plasticity）的发现，Hebb假说被完全证实。

基于这一原理，直接调控学习记忆相关脑区神经元的活性，从而改造甚至伪造记忆成为可能。在2013年Steve Ramirez和Xu Liu等人的工作中，就是通过激活编码错误笼子空间信息的神经元，从而使其与电极信息之间建立联系，使得小鼠出现错误的记忆，误认为是在另外的笼子中收到的电极，从而出现错误的逃避行为。更进一步，2018年Alexis Bedecarrats等人在海蜗牛（Aplysia）上实现了记忆的移植。在经受过电击的海蜗牛中抽取某种特殊的RNA，并注射到未经过电击的海蜗牛中，其也出现了相应的反应。相应的电生理记录也发生了改变。但这并不代表在高等动物，甚至人类中可以通过简单的传递RNA的方式传递记忆。因为高等动物的记忆编码比较复杂，涉及分子、细胞、环路等不同水平的改变，其时空特异性高度保守，也极其敏感。在低等动物上简单的转移RNA能夠实现的记忆移植，在高等动物上还为时过早。但是，我们有理由相信，晶体记忆（如肌肉记忆等）的修饰、改写方式的改变将会在不久的将来实现。

本文为深圳市教育科学2019年度规划课题“以脑为导向的中小学课程整合与教学研究”（课题号：zdzz19044）的研究成果。