短时非陈述性记忆的形成机制

就在坎德尔在家里陪伴家人的时候，他想起了巴甫洛夫（ИванПетровичПавлов）的包括条件反射在内的三种学习形式（习惯化、敏感化和经典条件反射），以及卡哈尔有关突触变化可能对学习有重要作用的思想。也是在这段时间，坎德尔读到了美国密歇根大学的多迪（Rob⁃ert Doty）的一篇报告。这篇报告记述了，多迪用弱电刺激狗的视觉皮层并不引起狗的运动，而刺激狗的运动皮层则引起狗爪运动，然后他同时多次施加这两种刺激，结果发现，以后即使单单只在视觉皮层上施加弱电刺激也会引起狗爪的运动。这个工作说明建立经典条件反射并不需要像动机之类的复杂的精神活动，而只要有两个配对的刺激就可以了。其实，在更早的时候，坎德尔就读过斯金纳（B.F.Skinner）的名著《生物体的行为》（The Behavior ofOrganism）一书，这本书里详细介绍了习惯化、敏感化、经典条件反射和操作条件反射等最简单的学习形式，不过这些工作都是针对动物整体的，用来观察其行为变化的，并没有牵涉其内部机制问题。坎德尔突然想到他也可以把同样的方法应用到孤立的海兔神经节上。当他记录神经节中的单个细胞时，他可以用弱电流刺激到神经节去的一条轴突通路作为条件刺激，而把刺激另一条通路作为无条件刺激，这样他就可以看到对这些刺激模式起反应时突触是否会发生系统性的变化，如果有变化的话，那么这种突触变化是不是和整个动物的整体行为一致。这样就有可能开辟一条研究这些最基本的学习记忆形式的神经机制的途经。不过当时各方面的条件还没有成熟，他把这些思想暂存脑中。

图3-5　海兔的腹神经节。

1965年坎德尔应邀到纽约大学医学院从事行为神经生物学工作。这样他就可以全力以赴地把他脑中积累起来的思想付之实践了。坎德尔从海兔的神经系统中分离出一个只有2000个神经细胞的腹神经节，把它放在一个不断通气的海水槽中。然后他把一根微电极插到了一个他命名为R2的神经元中，记录它对各种刺激的反应。实验模仿了巴甫洛夫对狗所做的习惯化、敏感化和经典条件反射这三种不同形式的学习方式。不过他比巴甫洛夫进一步的地方是，他并不只限于观察行为，而且还深究引起这些行为的神经回路。他的第一个大的发现是，虽然海兔学习有快有慢，但是它们用到的都是同一条只有30个神经元的回路，这里并没有发现以前盛行的回响假说中的环路，并且这些回路是生而有之，只是其中神经元之间的联结强度可以随经验而变化，这说明这种记忆只能是通过突触的变化引起的。关于这一结论的实验证据我们将放在下面再来详细介绍。

对一种无害的刺激，如果多次施加，那么动物的反应会越来越小，这种现象就称为习惯化。也就是说，动物学会不理会经常发生的无害刺激。坎德尔在一束通向R2细胞的神经纤维上施加弱电流刺激，并重复10次。结果发现随着刺激次数的增多，细胞上的突触电位越来越小，最后减弱到第一次时的二十分之一。

和习惯化相反，在给动物施加强刺激以后，再施加一个原来只引起很小反应的刺激也会引起大得多的反应。“一朝被蛇咬，十年怕井绳”说的正是这个意思。这就是所谓的“敏感化”。坎德尔在海兔上也建立起一个敏感化的模型。他先在通向R2细胞的一条神经通道上施加一两个弱的电刺激，把由此产生的突触电位作为基准。然后他向通向R2细胞的另一条神经通道上施加一个强刺激，在这以后再用同样的弱电流刺激第一条通道，结果发现此时产生的突触电位有了大幅度的提高。这说明这条通路的突触联系大大加强了。

关于巴甫洛夫经典条件反射，狗听到饲养员的脚步声就会分泌唾液的例子，这是大家耳熟能详的，这里不再赘述。与此相应，坎德尔在一条神经通道上先施加一个弱刺激，然后在另一个通道上施加一个强刺激。如此结合多次，以后只要加上那个弱刺激，即使其后不施加强刺激，依然会引起强烈的反应。坎德尔对上面的实验结果总结说：

通过一个模仿行为学条件范式的实验流程，改变了神经细胞之间的联系强度，这种改变可以持续半小时以上。这说明和突触强度有关的一系列变化可能是动物中某些简单信息储存形式的基础。

在坎德尔之前，绝大多数神经科学家认为动物的行为和细胞机制跨距太大，因此很少从细胞水平去研究行为机制。坎德尔第一个打破了这一禁忌，在20世纪60年代中，他率先在纽约大学建立了一个实验室，专门研究行为的产生和学习调控行为的细胞机制。

为了在在体条件下取得学习能改变突触联系效能的直接证据，坎德尔把他的研究集中到海兔的一个简单反射——缩腮反射。腮是海兔的呼吸器官，位于由外套膜围成的外套腔内。外套腔终止于虹吸管。如果轻轻地触摸一下虹吸管，就会引起一个快速的防御反射，虹吸管和腮都迅速地缩到外套膜里面，以防止受到伤害。对这样一个简单的反射，也可以建立起习惯化和条件反射。反复触摸虹吸管，会使缩腮反射越来越弱。如果在触摸虹吸管之后，在海兔的尾部施加一个强烈的电刺激，就会引起强烈的缩腮反射。如此结合数次以后，即使不再施加强刺激，只要触摸虹吸管也会引起强烈的缩腮反射，这一效果可以维持一段时间，也就是说，形成了记忆。下一步的工作就是要确定负责缩腮反射的神经回路。幸运的是，海兔神经节中的有些神经细胞很容易辨认，它们有自己固定的位置、颜色和大小。为了要确定神经细胞和神经细胞之间的联系，坎德尔在一个细胞里面插上微电极，然后对其他细胞施加刺激，每次只刺激一个，观察它们对插有微电极的细胞的影响，这样就可以确定哪些细胞之间有联系，这种联系是兴奋性的还是抑制性的。通过艰苦、细致的长期工作，他们终于画出了缩腮反射的“线路图”。

图3-6　缩腮反射的“线路图”。（引自h ttp://w w w.ncb i.n lm.n ih.gov/books/NBK21648/）

根据这个线路图，坎德尔实验室发现，触摸海兔的虹吸管会激活感觉神经元，感觉神经元的动作电位又在运动神经元中诱发出一个突触电位，导致后者发放神经脉冲，最终引起缩腮反射。记录这个突触电位，他们发现在习惯化和敏感化的过程中，这个电位大小的变化和动物的行为变化是完全一致的。因此，他们的工作表明：学习和记忆的神经基础不仅有先天决定的神经回路，而且还和后天由经验所引起的神经细胞突触联系效能的变化有关。