你也许有过这种神奇的体验： 一个老朋友的面孔即使十几年不见也还是那么熟悉 然而，老同学的名字你可能早已忘在脑后 你有没有好奇过这些或者成功或者失败的学习记忆背后的机制？ 这正是我们实验室研究的主题 我们致力于探明你的大脑在学习时发生了怎样的变化 以及这些变化是如何长期保留成为记忆的 有一点可以解释为什么有些事情比别的事更容易被记住 学习不是一个单一的过程 大脑中并不存在一种统一的学习机制 相反，不同的脑区有不同的学习机制 比如“海马区”是负责记忆你一生中发生的大小事件和细节的 这就是为什么你能记得别人的名字和早餐吃了什么 另一个叫做“杏仁核”的地方负责情绪记忆 你对恶犬的恐惧感会一直持续 即使你失去了在海马区保留的童年被咬伤的记忆 这些记忆系统是相对独立的 基底神经节负责的是习惯记忆 这使你能够边神游边刷牙或者开车 大脑皮层负责的是认知学习 即使像视觉这样的基础功能也依赖于经验和学习 下方这个脑区叫做小脑 它负责的是运动学习，就是你习得熟练动作的过程 如果我们放大这些脑区中的任意一个，我们会发现它们都是由相同的基本单元构成的 神经元是神经系统里一些专门化的细胞 神经元之间由突触相连接，使它们能够互相传递信号 但和一成不变的缆线不同，突触可以依经验而改变 你的突触在处理信息时，流经的电信号和化学信号可以引起长期的突触变化 一方面，我们了解在全脑功能的层次学习和记忆是怎么组织的 另一方面，我们也知道很多细胞层次 学习和记忆是如何在神经元和突触上实现的 下一个巨大的挑战，也正是我的实验室试图解决的 是连接起这两个完全不同的尺度 也就是从神经回路的层次上研究学习过程 因为正是海马区的神经回路改变了突触 使你能够记得别人的名字 而小脑的神经回路改变了你的突触，使你学会打网球 许多奇迹都是在这个处于中间的神经回路的层次上发生的 不仅仅是大脑，对很多其他事物来说也一样 处于中间的层次往往是最重要的 比如说为了修理你的车，你想搞明白汽车是如何运作的 你也许会走进一家汽车零件商店 仔细研究火花塞、传送带和垫圈，还有软管一类的小零件 然后根据你作为老司机的经验， 你也会知道汽车有一个动力系统使它前进 有一个操纵系统用于转弯，还有一个制动系统 但这就够了吗？如果你想修好你的车 最关键的是了解这些零件在发动机中是怎么互相配合，使得汽车能够前进的 以及零件们怎么组装在一起构成了让汽车转向的操纵系统 要修好车，最关键的是这种中间层次的组织结构 当然，对于汽车来说，我们有工程图和汽车修理指南 为我们提供关于零件是怎么在一起运作的信息 但对于大脑来说，我们一无所知 提供这样的蓝图正是我们实验室的工作 如果我们想“修好”患病的大脑，这样的信息是必须的 每二十个孩子中就有一个患有学习障碍 七分之一七十岁以上的老人，以及一半八十五岁以上的老人 患有阿兹海默症或者失智症 现有的治疗方案并不让人满意 大部分用于治疗这些疾病的药物 我们知道一些它们在神经元和突触层次的作用机制 但我们不知道的，细胞层次上的效果是怎么影响神经回路 及其处理和储存信息的能力的 有时候这些药物能起作用，但有时候不能 而我们往往不知道它失效的原因 一些振奋人心的新技术正在发展 使我们能够精确地操纵大脑，这是化学药物做不到的 但即使有一天医生们能掌握神奇的新技术 使精确控制神经元和突触成为可能，并且安全、经济 这些医生仍然不能改善患有学习障碍的孩子在学校的表现 他们也还是不能防止老人失去记忆 因为现有对学习机制的了解 不足以让我们找准神经回路中到底哪些神经元和突触需要修理 所以在目前的情况下，给医生们提供先进的治疗技术 就像给我一把万能的扳手修车，却没有修理指南 我可以对零件做一些调整，幸运的话也许能修好 但保险起见，我最需要的是一份详细的修理指南 我的实验室正致力于为大脑提供这样一份修理指南 我们想知道神经元和突触在脑回路中是怎么互相配合，使得学习和记忆成为可能的 那么我们现在对神经回路有了哪些了解？ 脑回路的功能是计算 它们收到一个特定的输入信号，然后产生一个输出信号。 这种从输入到输出的转换依赖于神经元和神经元，以及神经回路之间的连接方式 这正是大脑处理信息的方式 信息经过处理和转换，被大脑用于决策 神经回路中无数个突触层次上发生的信号事件构成了信息的处理和转换过程 比如说，你开车的时候看到了黄灯 这个输入信息会兴奋你大脑中的一些视觉神经元 它们被激活以后会将这一信号送到其他由突触相连的神经元那里 一个神经元通常与上千个神经元有连接 如果这些神经元中的一部分收到的输入信息足够强，它们也会被兴奋 然后它们会接着把这个信息送给另一些神经元 这个接力过程会持续到大脑获得了某一个输出信息 然后你的脚会做出动作... 移动到油门上！ 我看到很多人点头了 但也有一些人不赞成地皱着眉头 不用担心 我之前说过，那些构成神经回路的突触是会被经验改变的 比如说 如果你因为闯红灯被罚款了 这很可能会在你的大脑中引起一些变化 有的突触可能变强了 有的可能变弱了 这就使得神经回路处理信息的方式发生了变化 下次你看到黄灯的时候，神经回路的输出信息 可能会非常不同，你也许会把你的脚移向刹车 这是一个非常简单的例子，你的大脑每天都在进行大量这样的计算 实际上我们认为大脑的所有计算功能都受到经验和学习强烈影响 我的实验室关注于学习过程对大脑计算功能的影响，尤其是小脑 小脑有很多认知功能 并且它在运动学习中扮演了至关重要的角色 运动学习的过程就是你通过练习使得动作变的顺畅而准确 你可能首先会想到音乐家和舞蹈家 但只要你曾经仔细观察过一个幼儿 你大概会意识到大部分动作都是后天习得的 即使是非常普通的动作，比如说走路 或者准确地够到一样物品而不弄翻它，都是在不断重复练习中逐渐习得的 即使我们已经掌握了某些精细动作，产生它们的神经回路也经常需要调整 当我们的身体发生变化的时候，比如长大和衰老 我们需要对神经回路进行调整，否则我们的动作变得像幼儿一样笨拙 事实上这正是在小脑受损的病人身上发生的现象 小脑具有非常重要的功能 但我们关注这个脑区更重要的原因是 在这个区域我们有最大的机会搞清学习在神经回路层次上的机制 为什么是这个脑区？ 如果你想要分析一个电路的功能，你首先需要的是电路图 我们需要知道神经元之间的连接关系，知道信号在回路中的传输通路 对大部分学习过程来说我们没有这样的电路图 但是对一些小脑负责的学习任务，我们已经掌握了这些信息 正如这幅图所展示的 既然手里有了电路图，下一步，我们的问题就是 这个回路是如何进行计算的？学习又是如何影响这一计算过程的？ 我的实验室尝试回答的三个非常基本的问题 首先，回路中的哪些部分在学习过程中发生了变化？ 如果你这周末去练习高尔夫 你小脑中的哪些突触会得到加强，哪些又会变弱？ 是这些绿色神经元到红色神经元的连接，还是绿色到紫色神经元的连接？ 是否有一些类型的神经元是否总是更容易发生变化？ 信号处理通路中只有一环发生变化吗？还是会发生一系列变化？ 这些都是我们所关注的 另一个非常重要的问题是：回路中的这些变化是怎么产生的？ 你小脑中的哪些神经元在监控着你挥杆动作的准确度 然后决定什么时候产生这一动作的神经回路需要调整？ 哪些神经元知道你犯了错误？ 第三个基本问题是：回路中的突触改变是怎么被“读出”的？ 特定的突触改变如何影响回路处理信息的方式？ 我们还没有得到所有问题的答案 但我们已有的关于小脑的发现，在很大程度上可以推广到全脑水平 我们知道不同类型的学习和记忆取决于不同脑区的功能 但直到最近，人们提出在一个脑区内部 只有一种主要的学习机制 所以那个脑区每次学习都是通过一种几乎相同的方式 相反，我们发现在小脑内部存在多种不同的学习机制 所以当你挥动高尔夫球杆的动作需要调整的时候 你可以通过组合不同的方式改变你的小脑回路 我们发现一种类型的训练可以包含多种学习机制 并且在训练方式上非常微小的改变 可以决定某一种机制被或者不被采用 某一些突触需不需要被改变 这一发现有一些重要启示 采用不同的学习机制会影响学习的效果 比如说学习效果可以持续多久 或者你在某一情境下学到的知识是否能被转换到其他情境中 我们认为它还会影响到你在环境改变后重新学习的能力 这不仅影响你的高尔夫练习 也对中风患者的康复训练有重要意义 还影响我们教育孩子的策略 当然如果我们能发现一些提高高尔夫挥杆技巧的方式也是极好的 谢谢！