对记忆痕迹的早期探索

在记忆研究中的一个重要问题是，存储某个特定记忆的物理基质究竟是什么？1904年德国进化生物学家塞蒙（Richard Semon）创造了一个术语“记忆痕迹”（engram），以此称呼某个特定记忆的物理基质，用他自己的话来说，也就是“由某个刺激所产生的永久性变化”。造出这样一个术语相对说来还是比较容易的，但是真要找到这种记忆痕迹就难了。

美国心理学家拉什利（Karl Lashley）是记忆研究的先驱，他试图在大鼠的脑中找到是哪个部位存储记忆。拉什利的实验大概是这样的：首先训练实验动物做一些典型的记忆任务（例如穿越迷宫获取食物），然后小心地损毁动物的一小块脑区，看这会对完成同样的任务产生什么影响。他发现一小块损伤对动物的行为并无多大影响，甚至切除两到三小块也影响不大。他所能得到的、可以多次重复得出的结果是：动物的总记忆能力的受损伤程度和受到损伤的神经元数目成比例。

1950年，拉什利把他历时30多年做了几百次实验的研究结果总结在《寻找记忆痕迹》（In Search of the Engram）的著名论文里，提出了两条有关记忆的基本原理：“总量作用原理”和“等势原理”。前者认为对多种学习来说，大脑皮层都是作为一个整体起作用的；而后者则认为如果脑的局部受到损伤，脑的其他部位可以取代受损部位的作用。他的大量实验都表明动物整个记忆能力的损失程度和受到毁损的神经元的数目成正比。他由此得出结论：

脑中所有的细胞的作用都是相同的，并且以某种取代数和的方式参与所有的活动。对特定的记忆来说并不需要特定的细胞。对学习和记忆某种特定的活动来说，有些脑区可能至关紧要，但是对每一个这样的脑区来说，其内部的各个部分在功能上都是等价的。记忆痕迹遍布在这样的区域上。

拉什利的观点在统治了记忆研究30多年之后遇到了挑战。1984年美国心理学家汤普森（Richard Frederick Thompson）发表了一篇里程碑式的论文。他利用兔子的眨眼反射来研究记忆痕迹。他用气吹兔子的角膜，同时发出一个纯音。当兔子的眼睛受到气吹时就要自动地眨眼，这样经过若干次训练以后，即使不用气吹，兔子只要一听到这种纯音也会眨眼。汤普森的目的就是要找这种记忆痕迹到底储存在脑的什么地方。结果他发现，如果用化学方法使小脑的外侧层间核（lateral interpositus nucleus）失活，甚至只要损及几百个神经元，兔子的这种条件反射就建立不起来了。之后再使这一核团恢复功能，条件反射就又能建立起来。这说明外侧层间核确实是眨眼反射记忆痕迹的关键部位。这一结果与拉什利的理论是不相容的。汤普森指出：“其意义在于说明了记忆是有局域性的，眨眼条件反射就存储在小脑特定区域中的一小群细胞中。”

拉什利的错误是让动物去做一种过于复杂的任务（如在迷宫中找目标），这牵涉许许多多记忆形式（如空间知觉、视觉、嗅觉等），这些记忆可能分布在许多脑区，但是其中的某一种记忆可能只限于某个特定的脑区。毁损了其中的一种，其他感觉模态的记忆依然使动物还能完成这种任务（虽然程度上可能有差别）。这种假象使他得出了错误的结论。

拉什利的另一个错误是选错了实验动物，要知道大鼠的脑相对于更高等的动物来说，体积要小得多。随着脑体积的扩大，其中的神经元数目增多了，神经元之间的联结增多了。如果这时依然要求每个神经元都和脑中尽可能多的神经元有联系的话，那么脑中将充斥联结各个神经元的树突和轴突。有人计算过，如果人脑中的每个神经元都得和所有其他的神经元有联系的话，那么假定人脑是球形的，其直径将达到20千米！显然这是不可能的。因此进化采取了另一条道路，它发展出许多局部回路，在这些局部回路内部的神经元之间才有广泛的联系，而局部回路和局部回路之间只通过少量神经元有联结。这样脑比较大的动物的脑内就有了许多高度特异化的局部回路，它们各自独立工作，而后才通过远程联系整合起来。如果拉什利选用猴做实验的话，他就不会得出他的那两条“定律”。从另一方面来说，由于眨眼反射是一种简单的防御反射，那么更为复杂的记忆形式是不是也有局域性的“记忆痕迹”呢？另外，知道了记忆痕迹所在的部位不等于说就解决了记忆的机制问题，记忆又是怎样形成的呢？

1894年卡哈尔在英国皇家学会的演讲中说过：“……智力活动会增强脑中活动部分的原生质器官和神经侧枝的发育。就这样，原生质附器末枝和神经侧枝的增多致使早就存在着的神经元群体之间的联结得到加强。”但是卡哈尔的这一先见之明并未被普遍接受。相反，一些神经科学家不时提出一些不同的理论。

就在卡哈尔提出上述见解20年之后，美国生理学家福布斯（Alexander Forbes）认为卡哈尔的想法是不对的，他认为记忆是由能自我兴奋的神经元所构成的环路中的回响活动产生的动态变化引起的。连卡哈尔的学生洛伦特·德·诺（Rafael Lorente de Nó）都认为他和他的老师都发现过有相互连接的神经元构成的环路，这可以支持回响活动，而为记忆存储提供一种动态的机制。

1949年加拿大心理学家赫布（Donald Olding Hebb）在他声名远扬的《行为的组织》（The Organization of Behavior）一书中提出如果两个神经元总是同时活动，就会长出新的突触联结而成为长时记忆的部分机制，不过对短时记忆来说，他也赞同回响环路的说法：

如果要永久保持的话，某种结构变化可能是必要的，但是要在结构上长出些什么，大概需要相当长的时间。如果能找到证据说明回响活动可以和结构变化同时起作用，并在生长变化完成以前先把记忆保持一段时间，我们就应该承认其理论价值，这种活动不必是全部记忆。因此某种瞬时的、非稳态的回响活动是有用的。很可能，也有更持久的结构变化会加强其作用。

一直到20世纪五六十年代，还有人以类似的理由质疑记忆的突触可塑性假说。这一争论一直要到坎德尔以无可辩驳的实验证明了后一假说之后才逐渐平息下来。