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韋鈺

韋鈺，電子學專家，教育家，中國工程院院士，兒童發(fā)展與學習科學教育部重點實驗室學術委員會主任，國家教育咨詢委員會委員。曾任教育部副部長、中國科協(xié)副主席

我們強調，腦本質上是化學的信息處理系統(tǒng)。突觸間隙中發(fā)生的電—化學—電的信息轉變過程，是人腦和物理器件組成的計算機本質的區(qū)別所在。在這里，介紹發(fā)生在突觸處有關記憶的過程，以加深大家對人腦信息處理系統(tǒng)特點的認識。

我們常常只是短時間內記住了有些事件和人物，事情過去就忘了。例如像會議上新遇見的人的名字、新?lián)艹龅碾娫捥柎a等。而對有些事件和人物會長期記住，例如，你親近的人的名字、經常使用的電話號碼、常用的外文語句和數(shù)學公式等。這些長時記憶是我們學習的基礎。

在 20 世紀 50—60 年代的認知科學研究中，科學家按照記憶的時間長短對記憶進行分類，將記憶分成感覺記憶、短時記憶和長時記憶。

感覺記憶保留的時間為毫秒到秒級，主要包括視覺圖像記憶、聲音記憶和觸覺記憶幾個部分。視覺記憶可以保持幾百毫秒；而聲音記憶保留的時間可以長至幾秒，甚至達到 20 秒。短時記憶可以保持幾秒到幾分鐘，它的容量大致為 7±2 個單元。例如，你需要臨時記住一個陌生的電話號碼，以便撥通，一般你能記住的位數(shù)是 7±2 位。如果你能把信息“打包”成信息組，你可以記住 7±2 組的信息。長時記憶能保存以天計，或是以年計的信息。

  圖1　認知科學中的記憶框架

認 知 科 學 家 Atkinson 和 Stiffrin在 20 世紀 70 年代提出了一個表述這 3種記憶關系的框架模型[1] 。

這個模型的不足之處是沒有考慮信息在腦中處理的過程。實際上，即使是短時記憶，也會在腦中有相應的信息處理過程，處理加工的深度會影響到記憶的質量。同時，短時記憶處理的內容不僅可以直接來自于感覺記憶，也可以從已經存儲在腦中的長時記憶里重新提取出來。因而，隨著對記憶研究的深入，Allan Baddeley 等提出了工作記憶的模型，以修正和補充上述短時記憶的模型[1] 。工作記憶也是短時記憶，例如，它的存儲時間剛好能讓你回答與你交談者的問題。工作記憶模型包括3個部分：執(zhí)行中心以及 2 個從屬的感覺記憶的分系統(tǒng)——聲音回路與視覺—視覺空間初級處理暫存的畫面。執(zhí)行中心負責控制和協(xié)調感覺分系統(tǒng)和長時記憶之間的相互作用。在遇到新的情況時，這個中心也可以起到管理注意系統(tǒng)、調整感覺系統(tǒng)、協(xié)調和計劃行為的作用。工作記憶的執(zhí)行部位位于大腦的前額皮層，這個部位神經元的工作狀態(tài)受神經遞質多巴胺和谷氨酸的影響較大，也就是說它和情緒、食物、健康狀態(tài)，以及藥物服用等有關。工作記憶是有限容量的，它的容量隨兒童的不同發(fā)育階段而改變，不同人之間也有差異，有的認知科學家用對工作記憶的評測，預示兒童智力的發(fā)育和差異。

圖2　工作記憶的框架

認知科學中的這些研究并沒有涉及腦中具體發(fā)生的生物過程。在研究記憶的歷史上，一位匿名叫 H.M. 的病人為神經科學中記憶的研究作了重要的貢獻。他因為治療癲癇病，切除了顳葉內側皮層中包括海馬和海馬附近的區(qū)域。手術以后，他保留了離手術時 2 ? 3 年以前的記憶，也保留了其他的智力，但是失去了手術前 2 ? 3 年的記憶，而且更不幸的是失去了將短時記憶轉變成長時記憶的能力，無法再形成可陳述的長時記憶。即使是研究和治療他長達 40多年的醫(yī)生，每次進入他的房間，可以和他正常談話，但是當醫(yī)生走出房間再次進入時，他已經不記得上次的情景，不認識醫(yī)生了，會把醫(yī)生當作陌生人對待。 

圖3　分子層次上長時記憶形成的過程

神經科學的發(fā)展逐漸揭示了長時記憶形成的分子基礎。1791 年，Galvanic 用刺激青蛙腿神經和肌肉的方法，揭示了神經元激活的電學性質。1906 年，Cajal 總結出有關神經系統(tǒng)的重要原則—神經系統(tǒng)是由不連續(xù)的神經元組成的。1949 年 Hebb 提出了突觸學習的模型，這個模型被稱為“Hebb 定律”。1973 年，Bliss 和Lomo 第 1 次闡述了在哺乳動物的腦中存在的長時程增強機制（Long-Term Potentiation，LTP）。這些發(fā)現(xiàn)十分重要，它們奠定了在神經生物學分子層次上研究記憶的基礎。

科學家發(fā)現(xiàn)短時記憶和長時記憶的形成都和突觸中發(fā)生的變化有關，是由于神經元之間突觸連接的強度增加了。由于來自外部或內部的刺激，產生的電信號沿軸突傳遞到突觸處，激勵位于突觸前的含有神經遞質的小胞體，使它們釋放出神經遞質。神經遞質經過突觸的間隙，和位于突觸后膜上的受體分子結合，使突出后的神經元被激活，從而該突觸連接的強度被瞬間加強了，或是對后續(xù)信號的靈敏度被瞬間提高了，這時短時記憶就形成了。

如果刺激強度大，或是刺激的重復次數(shù)增加，會啟動位于細胞核中的轉錄因子 CREB。CREB 是一種特殊的蛋白分子，在短時記憶轉變成長時記憶中起到了關鍵的作用。CREB 一旦被激活，就會啟動細胞核中相應的基因，啟動基因的轉錄和表達過程，以產生出新的蛋白。這些新產生的加固突觸的蛋白，會從包圍神經元核的細胞膜中溢出，在神經元內彌散，自動尋找到應該加固的突觸。當突觸的蛋白被加固了，這些突觸的連接的強化就被固定了，長時記憶就形成了（圖3[2] ）。

科學家發(fā)現(xiàn)的長時記憶形成的分子機理用實證告訴我們，在我們腦中記憶的內容是建構的。這個建構過程和外界刺激，既和我們的經驗有關，也和我們的基因有關，因此記憶過程是因人而異的。和所有的行為一樣，記憶也是先天基因和后天經驗相互作用、共同決定的。先天基因會影響人的記憶能力，在人之間會有差異，但是后天提供的學習經歷也是很重要的。在神經生物學中，學習可以定義為人或動物通過神經系統(tǒng)接受外界環(huán)境信息而影響自身行為的過程，學習在腦中分子層次發(fā)生的過程是神經元突觸處連接的變化。

腦內長時記憶內容的建構過程又是連續(xù)的。我們學習新的知識，是在原有的記憶基礎上進行的，已經形成的記憶是由突觸中的蛋白結構形成的，并不能簡單地抹去。功能核磁共振圖像也證實了新的記憶不會取代原有的記憶，只是會抑制原有的記憶[3] 。因此，我們強調早期兒童科學教育的重要，要盡可能早地幫助兒童建立正確的科學概念，而且這種建構過程需要有一個逐步建構的學習進展過程，需要從兒童原有的概念出發(fā)，需要個性化教育，因材施教，才能有效。

學習科學的概念是這樣，學習其他的知識和獲得其他的能力也是這樣。人在出生以前神經元突觸之間的聯(lián)系就開始建構了，而在出生以后的最初幾年里，腦的發(fā)育很快，突觸連接的建構過程十分重要。兒童早期的建構過程是從低級功能到高級功能的連續(xù)過程，在這個過程中，對不同的功能會呈現(xiàn)一些不同的建構敏感期，即在這個特定的時期里，兒童某種功能的建構比較有效。兒童生而具有強大的學習能力和好奇心，特別是對他們周圍的事物。家庭、學校、同伴社區(qū)和文化都是兒童學習的環(huán)境，兒童有效地進行學習應該在教師的指導下，在有利的環(huán)境和學習共同體中主動地進行。兒童是學習活動的中心。

依靠對腦長期記憶形成分子機理的了解。幫助我們了解和計劃如何能讓兒童更有效地學習。人的一些基本需要能夠滿足時，如睡眠、饑餓等，記憶就可以較好地形成。情緒對形成記憶有很大影響，特別是恐懼。人在恐懼的情況下，一些神經元會變得“靜寂”，而無法工作，缺乏睡眠、饑餓、恐懼和長期的精神壓力會減低兒童學習的效率。感覺記憶有 2 個相對獨立的回路，來自聽覺和視覺，形成長時記憶時，如何有效地運用這 2 個系統(tǒng)是需要研究的，特別在提高第 2 外語學習的效率方面。

如何用重復學習的方法形成長時記憶，多少次數(shù)、間隔時間應該多長等等許多問題還尚待研究。長時記憶的形成和突觸處的神經遞質有關，特別是其中的多巴胺和谷氨酸有關。現(xiàn)在有些醫(yī)藥公司開始提供一些聲稱能提高記憶能力的藥品，主要就是通過服藥，改變突觸處的神經遞質濃度，達到提高記憶能力的目的。這類措施引發(fā)了科學家對科學倫理的激烈討論——能否允許，長期的影響如何，怎樣區(qū)分用于治療和用于提高記憶能力的界限等，都是我們面臨的急需解決的難題。