Highlights
亮点

  • 由特定电活动样式或调节性神经递质活动引起的突触强度变化能改变信息处理方式，从而控制行为
  • 从短时程记忆转变到长时程记忆需要表达新基因
  • 长时程阶段可能需要多个细胞学机制维持，比如突触标记、突触的蛋白合成变化、可能的基于蛋白激酶的级联反应和功能性自我维持的类朊蛋白维持机制
  • 复杂形式的外显式记忆的神经环路的结构包括海马体、相邻的内侧颞叶皮层以及其他新皮层脑区

Article information
文章信息

本文作者之一 Kandel 是学习与记忆领域的重磅人物。其观点深入，思维广阔，是2000年诺贝尔生理学与医学奖获得者。Kandel 编撰的 Principles of Neural Science 已成为神经科学领域的经典教科书。本文发表于2014年，行文优美，娓娓道来，概括了半个世纪以来学习与记忆领域的研究历史和前沿。故在此将其翻译成中文，便于阅读（参考文献略，详见原文）。

原文作者：Eric R. Kandel, Yadin Dudai 和 Mark R. Mayford

英文原文：10.1016/j.cell.2014.03.001

Abstract
摘要

学习与记忆是人脑最为神奇的两种功能。“学习”是指获取新知识的生物学过程，而“记忆”是指在之后的一段时间内存储和重构这些知识的过程。我们的大多数知识和技能都不是天生的，而是后天习得的。因此，“我们是谁”很大程度上取决于我们学到、记住和忘记了什么。在本综述里，我们检视了记忆形成、存储、提取和遗失的分子、细胞以及神经环路机制。

Introduction
前言

记忆是将我们的精神生活保持完整的粘合剂。没有它强大的统一力量，我们的意识和潜意识将断裂成短至几秒的碎片，人生将陷入空虚、无意义的深渊。

另外，记忆紊乱会影响我们的认知能力，从而降低我们人生各阶段的生活质量。发生在早期的学习记忆紊乱阻碍了孩童生长发育。发生在晚期的学习记忆能力衰退也令老年人无比沮丧，尤其是阿尔茨海默症，它如同幽鬼般缠绕着病人及其家人。在过去的 40 年里，神经科学已成功地建立了一套公认的概念框架，其一方面涉及了细胞和分子生物学，另一方面关注了脑系统生物学和心理学。在这种新兴的、交叉学科的架构下，关于记忆的研究范围已从基因和分子，扩展至认知和心智。

Where Is Memory Stored?
记忆存储在哪里？

40 年前，我们从 Milner 等先驱的工作中得知，特定形式的长时程记忆的习得和早期保留依赖于海马体和内侧颞叶。随后发现，大脑记忆主要分为两种：1. 外显式记忆（可描述型记忆），即对事实、事件、人、物和地点的记忆；2. 内隐式记忆（不可描述型记忆），即对感知和运动技能的记忆。外显式记忆需要集中注意，并依赖于海马体和相邻皮层。而内隐式记忆不需要意识参与，且依赖于其它脑区，如小脑、纹状体、杏仁核，以及（在非脊椎动物中）简单反射弧。

在本综述中，我们先关注在非脊椎动物中，简单的内隐式记忆是如何习得和保持的，讨论短、中、长时程记忆的分子和结构机制。然后我们简单讨论内隐式记忆在哺乳类动物脑中的机制。从那里出发，我们将关注在啮齿类和非人类灵长类动物中，外显式记忆的复杂的细胞机制，以及获取、保留和表达所习得信息的神经环路。最后，我们将检视人类的记忆存储方式的独有特点。

为了令普通读者对记忆领域近年的主要问题有一个大致的感觉，我们有选择地阐述了一些内容，而非对各方向全面展开讨论。选择的方法致力于涉及该领域的杰出工作中的特殊部分。我们在尽力囊括对该领域有重大贡献的工作的同时，更主要地聚焦在对海兔的研究上，以令陈述更为流畅。在综述的第二部分，我们关注内隐式记忆与更为复杂的外显式记忆的分子机制之间的联系，着重讨论关于基因改造小鼠的大量文献的特定方面。最后，我们关注人脑编码、巩固、再现和更新外显式记忆的机制。

在本综述中我们将一直强调，记忆的存储不是一系列事件依次发生并以不可磨灭的长时程记忆为终点的过程。相反，这是一个各过程反复迭代的动态结果：编码/获得新信息、短时程记忆、中时程记忆、长时程记忆的巩固、长时程记忆的维持，以及在记忆的提取、更新和整合时发生的记忆去巩固和重巩固。我们可以看到这些动态过程在简单和复杂的记忆系统中，以不同程度发生在多个分析水平、多个脑区。这些动态过程以单突触的分子和细胞变化为起始，演变成多突触、大神经网络中的分布式变化，并表现在行为学层面。

Part I: The Cell and Molecular Biology of Implicit Memory Storage
第一部分：内隐式记忆的存储的细胞和分子生物学机制

How Is Implicit Memory Stored?
内隐式记忆是如何被存储的？

尽管早在1970年代我们就知道记忆有两种主要类型，然而我们对这两种记忆如何形成和存储一无所知。事实上，我们甚至连如何着手研究记忆的生物学基础都毫无头绪。我们无法以实验区分两种在当时颇为先进、却又相互矛盾的观点：1. 记忆存储在由许多神经元共同活动而产生的生物电场中；2. 记忆存储在突触连接的解剖结构中，此观点后被命名为“突触可塑性（synaptic plasticity）”。

为了区分这两种迥然不同的记忆存储方式，人们很快发现，有必要开发一套便于实验的行为学系统。通过这样的系统，应该更可能观察到特定的神经元组分改变如何导致行为学的变化。从1964年到1979年，几种内隐式记忆行为学范式出现了：猫的屈曲反射、兔的眨眼反应。还有非脊椎动物反射学习的多种简单形式：海兔的保护性缩鳃反射、海兔的逃跑反射、果蝇的嗅觉学习等。

在短短的时间内，我们从这种还原主义方法中产生了许多洞见。第一个洞见纯粹是行为学上的，揭示了即使中枢神经系统简单如海兔和果蝇的动物也有强大的学习能力，这两种动物的神经细胞分别仅有2万和10万个。这些简单的神经系统能够产生多种基本的学习形式：习惯化、去习惯化、敏感化、经典条件学习、操作性条件学习。每种学习形式都能产生短时程和长时程记忆。

最早的研究关注短期内的变化，即持续时间在数分钟到一小时之间。他们发现，单次学习和短时程记忆的形成源于某些关键突触的连接强度变化，这个现象在海兔的缩鳃反射和小龙虾的弹尾反应都很明显。后续研究发现，突触连接强度的短期变化源于突触前神经元化学递质释放的调节活动。递质释放的减少被发现与短时程习惯化相关，而递质释放的增加与短时程去习惯化和敏感化相关。

对非脊椎动物的研究也揭示了一系列心理学概念，这些概念能够与巴浦洛夫等古典行为学家对脊椎动物行为的描述对应起来，包括关联型学习与非关联型学习的区别，以及关于关联型学习的重要洞见：在学习过程中，条件性刺激之所以如此重要，不仅仅是因为它出现在非条件性刺激之前，而是因为它能预测非条件性刺激，使其不再出乎意料。

就这样，由纯粹的行为学所推知的心理学概念史上首次能够在细胞和分子的层面被解释了。举例来说，介导海兔缩鳃反射的“感觉神经元-运动神经元”突触同样也是学习与记忆的基础，这个发现表明，简单神经系统中的内隐式记忆的存储并非依靠特化的神经元，而是依赖于反射弧的神经结构及其突触可塑性的能力。

接下来人们就想知道，这些简单神经系统中的简单学习形式的基本机制是否也存在于更复杂的大脑和学习形式中。另外也引发了人们对高级记忆功能的其它细胞机制和环路机制的搜寻。相应地，本综述将以短、中、长时程的简单内隐式记忆的分子细胞学研究为开篇，进而讨论这三个阶段在哺乳类动物和人类大脑的内隐式和外显式记忆的情况。

Encoding and Storing Short-Term Memory
短时程记忆的编码和存储

通过研究海兔的缩鳃反射，我们知道对其尾部进行单次敏感化刺激，就能增强感觉与运动神经元之间的突触连接，过程如下：刺激尾部激活了调节性神经元，使其向虹吸管感觉神经元突触前释放 5-羟色胺（即血清素），而血清素能增加虹吸管感觉神经元中的 cAMP 浓度。cAMP 作为第二信使，促使感觉神经元向突触间隙释放更多的谷氨酸，从而加强虹吸管感觉神经元与运动神经元之间的突触连接。事实上，人为地向感觉神经元中直接注射 cAMP 确实能短暂地增强感觉与运动神经元之间的连接［我：为啥感觉神经元在接受刺激后，不直接释放谷氨酸，而要经过调节性神经元的多一层控制？］

Classical Conditioning
经典条件反射

接下来，人们成功地令海兔产生了经典条件性的缩鳃反射，并开始分析这种学习形式的机制。这种学习的过程是：研究人员向海兔施加条件刺激（刺激虹吸管）后，迅速地施加非条件刺激（电击尾部），这种“配对训练”能令海兔的缩鳃反射比仅施加一种刺激或非配对地施加两种刺激更强烈。这是因为，虹吸管感觉神经元接受刺激后产生的动作电位发生在尾部被电击之前，能更大地增强感觉神经元与运动神经元之间的突触易化，这种现象又称为“依赖于活动的突触易化增强”。

进一步的研究表明，经典条件反射一方面需要突触前神经元中依赖于活动的 cAMP 信号增强，正如在敏感化中一样；另一方面需要突触后神经元的参与。在配对训练的过程中，突触前神经元（虹吸管感觉神经元）胞外的钙离子内流，而钙离子能提高 cAMP 合成酶的活性。由于血清素能令感觉神经元内 cAMP 浓度上升，所以若钙离子内流之后血清素也到达突触，则能从“直接”和“间接”两条途径大大提高胞内 cAMP 的浓度，进一步增强感觉与运动神经元之间的突触连接。

除了经典条件反射，海兔的缩鳃反射和咬行为还能被操作性条件反射调控。

Long-Term Memory Consolidation
长时程记忆的巩固

在1980年代早期，分子生物学的知识和方法被运用到神经系统上，使人们能够寻找不同动物共有的短时程记忆的分子机制，探究短时程和长时程记忆如何被存储。

人们发现果蝇能够习得恐惧，而且单基因的突变足以干扰短时程记忆。这些突变基因被发现是 cAMP 通路中的组分，也就是我们在前面关于海兔敏感化和经典条件反射的部分中反复提到的那条通路。

这些基本的学习形式能够产生持续时间迥然不同的记忆存储。而且，学习过程中的行为学变化与突触可塑性的变化相伴相生。短时程和中时程记忆所伴随的突触增强仅能持续数分钟至数小时，而长时程记忆伴随的突触增强可持续数天至数周。

这种谷氨酸敏感的突触连接能够在解离的细胞培养物中被复现。比如，直接施加血清素以代替行为学习中对尾部的敏感化刺激，能够重现突触增强现象。单次施加血清素能令突触短暂地增强（即短时程易化，short-term facilitation），而重复多次的施加能令突触增强维持超过一周（即长时程易化，long-term facilitation）。和经典条件反射一样，若感觉神经元的动作电位在血清素释放前发生，则这种易化作用更强。这种培养体系为我们提供了关于短时程记忆如何转为长时程记忆的分子机制的洞见，而这种转变过程被称为“巩固（consolidation）”。

关于巩固过程的第一条线索来自于脊椎动物的药理学研究。人们在行为学层面上观察到长时程记忆的形成需要新蛋白的合成，而短时程记忆的形成不需要。在海兔上的细胞学研究显示这种新蛋白合成反映的是新的基因表达事件，这些表达事件始于重复释放血清素导致的长时程敏感化：血清素诱导的 cAMP 增加一直持续着，导致 PKA（依赖于 cAMP 的蛋白激酶）的催化亚基招募 MAPK（被细胞分裂素激活的蛋白激酶）；PKA 和 MAPK 进入细胞核，将转录因子磷酸化，进而诱导基因表达，而这些基因的表达是长时程记忆所必须的。

1990年人们发现，在海兔神经元的长时程易化中，PKA 是通过 CREB-1（cAMP 反应元件结合蛋白）来激活基因表达的：通过阻止 CREB-1 结合其 DNA 反应元件，长时程易化被消除，而短时程易化不受影响。这一信号级联放大反应的大多数组分在演化过程中都是保守的，且 CREB 在非脊椎动物的突触可塑性中的许多作用也可在哺乳类动物脑中观察到。也就是说， CREB 在脊椎动物外显式记忆中的作用比在非脊椎动物内隐式记忆中更复杂。［我：如何推知？］

在海兔的感觉神经元中，CREB-1 的激活诱导了数个即刻反应基因的表达，这些基因能够稳定并延长短时程易化过程中 PKA 的信号。CREB-1 还诱导了转录因子 C/EBP（CCAAT-增强子结合蛋白）的表达，从而导致第二波基因的表达。其中，C/EBP 为长时程易化所必需，而第二波基因能产生新的突触连接。

早期在海兔和果蝇上进行的、关于短时程记忆转变为长时程记忆的分子开关的研究仅关注促进记忆存储的正调控因子，比如 CREB-1。后来的研究显示，这个转化过程也受负调控因子的限制。比如 CREB-2，当它在海兔中被过表达时，能抑制长时程易化。通常情况下，单次施加血清素仅能令突触连接增强几分钟，但当 CREB-2 被去除时，增强作用长达几天，并伴有明显的新突触连接生成。

CREB 介导的应激反应受多个激酶（PKA，CaMKII，CaMKIV，RSK2，MAPK 和 PKC）以及磷酸酶调节。由此猜想，CREB 能够整合多个通路的信号。这种整合作用与激活（CREB-1）或抑制（CREB-2）作用，可能可以解释它在记忆存储中为什么处于中心地位，以及依赖于它而表达的基因在演化过程中为什么如此保守。另外，还有其他转录因子在不同物种、不同学习形式的长时程突触改变中起着作用。

Chromatin Alteration and Epigenetic Changes in Memory Consolidation
记忆巩固过程中的染色质变化和表观遗传改变

表观遗传机制能够在不改变 DNA 的情况下影响基因表达。表观遗传被普遍发现参与在发育过程中，响应外环境刺激的细胞信息的生成和存储。但表观遗传与成人脑功能的可能关系在近年的研究中才被发现。这些研究暗示，无论是在低等动物还是高等动物中，染色质的表观遗传标记可能对一些基因的表达有长期影响，而这些基因参与了长时程的突触变化。具体地说，兴奋性和抑制性的神经递质能激活一些信号通路，这些信号通路通过 CREB-1 和 CREB-2 使转录进行或停止，并通过乙酰化/去乙酰化染色质中的组蛋白残基，进一步影响核小体的结构。

另一个重要的转录调控因子是小非编码 RNA。在海兔中，含量最多、非常保守、脑部特异的 microRNA 是 miR-124。这个分子存在于感觉神经元中，结合并抑制 CREB-1 的 mRNA。血清素能抑制 miR-124，从而使 CREB-1 的翻译不再受抑制，使长时程记忆的转录得以进行。海兔的脑部还含有一类小非编码 RNA——piRNA，以往认为它仅存在于生殖细胞中。其中一种分子—— piRNA-F 的浓度在血清素刺激后会升高，导致 CREB-2 基因的甲基化和表达沉默。因此，血清素能调控 piRNA 和 miRNA 分子：piRNA-F 的升高会令 CREB-2 沉默，而 miR-124 的降低令 CREB-1 表达激活持续24小时以上，从而在感觉神经元中建立起稳定的、长期的变化，这些变化能够巩固记忆，使其能被长期存储（图1）。这些发现揭示了一种新的表观遗传层面的机制，调控着关于长时程记忆存储的基因表达。

图1（Kandel et. al., 2014）

Long-Term Memory and Synaptic Growth
长时程记忆与突触生长

在一项开创性的研究中，人们发现在海兔缩鳃反射的习惯化和敏感化中，结构上的变化伴随着长时程记忆的存储。在习惯化中，感觉神经元收回了部分突触前末端，使得感觉神经元与运动神经元和中间神经元的突触连接更少。相反的，在长时程敏感化中，感觉神经元的突触前末端增加了不止一倍。这种由学习诱导的突触生长并不仅限于感觉神经元中。运动神经元的树突能接受感觉神经元的信号，它们也能根据额外的感觉输入信号而生长和重塑。

这些结果表明，在海兔的基本学习记忆形式中，发生了突触前感觉神经元和突触后运动神经元的结构性变化。综上，这些对于简单行为的早期细胞学研究为一种假说提供了直接证据：神经元之间的突触连接不是一成不变的，而是可被学习行为改变的，且这种解剖结构上的改变可能有助于记忆存储。最后，突触前后神经元均参与突触生长的发现暗示着，可能存在一条信号通路，使突触前神经元能激活突触后神经元。

Intermediate-Term Memory and the Propagation of Information for Growth
中时程记忆与突触生长信号的传播

在1995年，人们发现了海兔从短时程过渡到长时程的易化和敏感化的中间时期。这个时期仅需要蛋白质合成，却不需要基因转录。后续研究发现，尽管短时程易化和敏感化与突触前 PKA 介导的蛋白质共价修饰有关，中时程易化和敏感化则同时涉及突触前（PKA，CaMKII）与突触后（Ca2+，CaMKII）的共价修饰和蛋白质合成。

于是人们开始探索突触前神经元如何诱导突触后神经元活动。他们发现，中间时期起始于突触前神经元中 PKA 介导谷氨酸自发释放增加 3 倍。谷氨酸作为突触间的信使，将信号传递到突触后神经元，并诱导新突触生长。信号的传递是通过激活代谢型谷氨酸受体 mGluR5 而实现的，mGluR5 使三磷酸肌醇 IP-3 增多，进而导致突触后神经元的胞内钙离子释放。而钙离子使更多的半胱氨酸类（AMPA）谷氨酸受体插入突触后神经元，也使突触后神经元开始突触生长。

Maintenance of Long-Term Memory
长时程记忆的维持

每个神经元有多达上千个突触。如前文所述，这些突触是短时程记忆信息存储的单元。鉴于长时程记忆需要核内的基因表达，你可能会猜想长时程突触易化所涉及的是全细胞范围的变化。

为了探究突触是否也是长时程记忆的存储单元，人们进行了一项实验：对于海兔中同时支配两个运动神经元的二叉感觉神经元，将血清素局部施加在其中一个分支上。结合其他在海马中实施的实验，结果表明每个突触都是独立地被修改的，且变化能够持续超过 24 小时。这意味着长时程易化及与之相关的突触变化是突触特异的。而且，这种突触特异性需要 CREB-1。这些发现暗示，信号不仅从突触传递到核内，也需要从核内传递到特定的突触。

一旦转录开始，新合成的基因产物如 mRNA 和蛋白质必须要被运输至当初引发基因表达的突触。为了解释单个神经元如何在大量突触中达到这种特异性，数个研究组提出了一种“突触捕获”或“标记（tagging）”假说。假说认为，基因表达产物被运送到细胞的各个部位，但仅有被标记的突触会使用这些产物。

活跃的突触是如何被标记上的？人们在海兔中发现了两种标记组分：一种需要 PKA 启动长时程突触可塑性和生长，另一种稳定并维持突触功能和结构的长时程变化且需要局部蛋白合成。激活突触局部蛋白合成的一种方法是，招募基因翻译的调控因子，以激活休眠的 mRNA。例如在非洲爪蟾卵母细胞中，母源 RNA 是沉默的，直到被细胞质多聚腺苷酸化元件结合蛋白（CPEB）激活为止。

人们在海兔中寻找 CPEB 的同源基因，发现除了一种 CPEB 的演化不完全的形式外，还有一种具有新特性的形式。在标记突触中阻遏这种形式的 CPEB，会导致长时程突触易化的记忆无法维持，但对记忆的形成并无影响。海兔 CPEB 的显著特征是，它的 N 端和酵母朊蛋白的朊蛋白结构域很像，这令海兔 CPEB 可能拥有自维持的特性。但与其它已知的致病朊蛋白不同的是，海兔 CPEB 行使的是正常生理功能：这种能够自我延续的蛋白并不杀死细胞，而是控制着特定突触中的翻译。值得注意的是，CPEB 也被发现参与果蝇和小鼠的长时程记忆维持。

具有自维持结构的朊蛋白类似蛋白被认为可能参与记忆存储，比如海兔神经元中的 CPEB。一种模型认为，CPEB 能延长休眠 mRNA 的 poly-A 尾，从而激活翻译。海兔 CPEB 有两种状态：一种是非激活态，起抑制作用；另一种是激活态。在未被标记的突触中，CPEB 的本底表达量很低，蛋白处于非激活状态，即行使抑制功能。根据模型，血清素诱导 CPEB 数量增加。如果数量达到了某个阈值，CPEB 就会变成朊蛋白类似状态，即激活状态。一旦被激活突触中的 CPEB 处于朊蛋白状态，由胞体产生遍及全细胞的休眠 mRNA 分子将被翻译，且翻译仅在被激活突触中进行。因为激活态的 CPEB 可以自我延续，它有助于突触特异的、长时程的分子变化，从而提供了一种机制，令学习相关的突触能够稳定生长，也令记忆在突触正常生长时期仍被保持，即使此时蛋白合成水平很低（图2）。

图2（Kandel et. al., 2014）

Destabilization and Restabilization of Long-Term Memory
长时程记忆的去稳定化和重稳定化

充分的数据表明，对于许多记忆，在记忆提取过程中再次激活记忆的踪迹（trace）会使踪迹暂时变得不稳定，从而改变记忆。这通常被解释为“重巩固”过程。这个过程与巩固过程有些共同机制，对此我们稍后将在本综述中讨论。重巩固也存在于海兔中。这使得人们可以在已知的神经元和突触中分离其机制。尤其可以研究，编码和存储记忆踪迹的突触，是否也是记忆提取时被去稳定化和重稳定化的突触，抑或涉及了其他突触。

的确，人们在海兔的缩鳃反射中发现，存储长时程易化的感觉运动突触在重激活时，若发生蛋白降解，则会不稳定；若发生蛋白合成，则会重稳定。这种细胞变化伴随着行为表现变化。这些发现指出，长时程的记忆踪迹在形成之后，仍然保持可变。

总之，以还原论的方式对神经元可塑性和海兔的简单记忆进行的分析，向我们展示了能够运用在更复杂记忆系统中的一些分子细胞机制组分和操作规则。现在我们来回顾一些研究，以说明这些机制组分和操作规则是如何在哺乳动物脑部中被运用并进一步发展的。

Implicit, Nondeclarative, Memory in Mammals
哺乳动物的内隐式、非陈述性记忆

将哺乳动物脑部的学习能力和突触可塑性联系起来的证据中，最强的证据来自于内隐式学习恐惧实验。当让一个动物听到一个声音后接受足底电击——一种经典的条件学习范式——动物就会表现出一种习得的恐惧反应，即动物只听到声音就会产生的僵住反应。这种形式的学习涉及到杏仁核，一个直接接收丘脑听觉信息、处理新皮层信息的脑区，它输出至下丘脑，调节自发恐惧反应。在离体脑片中，杏仁核神经元在接受反复刺激后会发生突触连接增强。重要的是，诱导恐惧学习的声音与电击配对，也会增强生理条件下杏仁核对声音刺激的反应，以及体外对于声音输入电刺激的突触反应。

习得性恐惧记忆的突触变化和持续都需要 PKA，MAPK 和 CREB 的激活。而且，正如待会儿我们将讨论的 N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体依赖的突触可塑性一样，习得性恐惧还需要更多的 AMPA 受体被运输到杏仁核神经元突触中。与习得性恐惧相反的是，如果一个声音所预测的是一段无电击的安全时间，则听觉输入到杏仁核会产生长时程抑制。因此，习得性恐惧和习得性安全感涉及的是两种相反的突触连接强度变化。而且，正如在海兔的习得性恐惧中一样，突触可塑性被异源突触调节，在本例中则是多巴胺作为异源突触调节性递质。

另一类型的哺乳动物内隐式记忆是条件性眨眼。做法是将声音（条件刺激）和向眼部吹气（非条件刺激）配对，这样导致的习得性眨眼和仅吹气导致的眨眼时间一样（？没看懂这句话：resulting in a learned eye blink that is appropriately timed to the paired US）。理论研究和实验研究暗示，在学习之前，小脑浦肯野氏神经元在条件刺激后为激活状态，因此小脑中间神经核的神经元被抑制，从而抑制了运动输出。而在条件学习之后，浦肯野氏细胞对于条件刺激的反应活动降低了，导致中间神经核的神经元被去抑制，引起眨眼。这个模型与另一个发现相吻合，即浦肯野氏细胞的活动可由于兴奋性平行纤维突触输入至浦肯野氏细胞的长时程抑制而降低。平行纤维强度降低是在输入至小脑的上行纤维在与平行纤维活动相近的时间内被激活的时候发生的。AMPA 受体在平行纤维至浦肯野氏细胞的突触中的下调，导致浦肯野氏细胞变得不太响应输入。

值得注意的是，关于恐惧学习的研究，包括条件性眨眼、前庭眼动反射的变式和在海兔和小龙虾上基于经验的反射变式，均提供了一些支持性的证据，认为突触易化和突触抑制是编码和维持记忆的两种平行机制。

Part II: Explicit, Declarative, Memory in the Mammalian Brain
第二部分：哺乳动物的外显式、陈述性记忆

外显式记忆涉及到基于海马体的记忆系统，其内容为事实（语义的）和事件（片段的），需要有意识地回忆。这个发现最初来自于对病人 H.M. 的观察。

研究海马体依赖的外显式记忆的难点在于，刺激的多重层次和学习诱导的关联现象。学习线索不再是单一的感觉刺激如声音、触摸或电击，这些信息汇总到共同神经元，使神经元发生学习所需的可塑性变化。对于一个典型的外显式记忆，相关线索很复杂。寻找神经网络在新关联学习中发生改变的神经元是一个艰巨的任务，即找出哪个环路的输出编码了这个记忆。我们将简单地讨论一些关于外显式记忆的动物和人类实验，这些实验在细胞群或单细胞水平上检测了脑部神经元活动的形式，开始揭示信息在学习和记忆提取时是如何被组织起来的。我们将接着讨论正在进行的一些尝试，这些尝试探究了不同形式的长时程增强（LTP）作为一种突触可塑性机制，在海马体编码的外显式记忆中所起的作用。我们也将讨论新的技术，这些技术能直接观察散落各处的神经网络在外显式记忆中的行为学作用。

The Emergence of a Systems Approach to Memory Storage
记忆存储的系统学方法的兴起

定位细胞。根据人类失忆患者可知，海马体是外显式记忆的关键脑区。因此动物实验关注的是，与海马体相关的感觉信息的本质。对于自由活动的大鼠的海马体活动的电生理记录，首次表明了海马体神经元的一个神奇特征：空间特异的电信号发放。当动物可以在空旷的或稍加限制的环境中自由活动时，海马体中的每个锥体神经元都是“定位细胞”：仅当动物经过某个区域时，相应的神经元才有活动。这些神经元所具有的空间野，暗示着海马体神经元编码了动物所处位置的地图。然而，与以通过拓扑结构来表征的初级感觉运动皮层不同，海马体的定位细胞是被随机组织起来的。相邻的定位细胞并不表示相邻的空间位置。因此，不同的个体在相同的空间位置可能招募不同群体的细胞，相同个体对于不同的环境也可能招募不同群体的细胞。

外显式记忆例如依赖于海马体的空间记忆，其定义特征是：需要注意。集中注意力不仅对于记忆的编码最优化很重要，而且对于后来的提取也很重要。既然海马体接收多模态的感觉信息，这种信息的编码可能涉及多个脑区，每个脑区都可能是独立的、注意模块的目标区域。为了探究定位细胞、空间记忆和注意的关系，人们在几个注意力集中程度不一的行为实验中对小鼠进行了记录。他们发现定位细胞放电的长时程稳定与注意力集中程度相关。成功执行空间任务与神经元稳定的空间野相关联。而且，令空间野最稳定的条件极大地提高了向新线索定位的能力。这暗示着，定位细胞的记忆存储和提取受到了自上而下的认知过程调节，比如注意力。也暗示着定位细胞是空间记忆的神经关联。这种空间野的稳定性需要多巴胺（多巴胺 D1/D5 受体）介导的混合突触的调节性输入。

人们接着问，这种注意过程是一种通用的唤起形式，还是仅特异地被空间任务所需要？他们记录了小鼠海马体背侧 CA1 区域的单细胞在连续 5 天内的变化，在这个时期内，小鼠需要完成两个目标导向的任务中的一个。其中一个任务要求小鼠根据视觉空间线索找到隐藏的食物奖励。另一个任务要求小鼠在不断变化的空间位置上注意特定的嗅觉信息。增强对视觉空间环境的注意既能增强视觉空间表征的稳定性，还能增强 gamma 振荡的相位锁定，而 gamma 振荡是一种神经同步形式，被认为是处理任务相关信息所基于的注意机制。对移动空间的嗅觉线索的注意降低了空间野的稳定性，提高了奖励相关气味表征的稳定性。综上，这些结果暗示，注意力通过增强对任务相关信息的生理反应，选择性地调节了海马体表征的编码和提取，且空间地图需要对空间线索的特异性注意。一些研究也指出了注意力的重要性，它们表明行为过程中，定位细胞序列趋向于指向目标位置，仿佛动物试着将注意力转移到那里似的。

被招募的定位细胞群是对动物所探索的环境特异的，但这种特异性需要较长时间才能形成，这暗示着这群细胞可被学习过程修改。我们已经看到，尽管啮齿类海马体的空间编码很明显，当任务要求被调整至需要非空间信息时，啮齿类海马体细胞群对于这些信息的反应也变得敏感。

网格细胞。在对定位细胞研究的早期，人们仅探索 CA1 区域。当时并不知道海马体的不同亚区域是否表示着空间。被普遍接受的观点是，感觉信息从嗅内皮层经三突触通路传递至海马体的 CA3 和 CA1 区域，在那里将信号整合成空间地图。2005年，人们拓展了这个想法。他们在嗅内皮层发现了空间地图的前体，这是一群新类型细胞，称为“网格细胞”。每个编码空间的细胞都有一个六边形网格状的感受野，并将位置、方向和距离信息传送至海马体。网格的总体结构主要维持在定位细胞重新映射的时候，这提示我们，网格可能是对空间的一种更为先天的表征方式。虽然如此，嗅内皮层参与记忆的现象已被研究得较为透彻，这些研究基于损毁实验和成像技术两种证据。最近有人报道，在猴子的视觉识别任务中，网格细胞对反复刺激表现出放电频率降低，此现象向我们暗示了这类特定的嗅内皮层细胞在记忆中的作用。

人们进一步研究这个问题。有人记录了当空旷场地中存在物体时，外侧嗅内皮层神经元的活动。他们发现，有的神经元针对物体本身放电，而其他神经元则特异地根据物体在上一次实验中出现的位置放电，由此体现出对该环境的过往经验。后者通常在物体出现时并没有反应，这暗示着物体表征细胞和物体跟踪细胞是两种独立的细胞类型。这些发现将外侧嗅内皮层归为物体-位置记忆的海马体-皮层环路的一个组分。

Synaptic Plasticity in the Mammalian Brain
哺乳动物脑部的突触可塑性

几乎在发现定位细胞的同一时期，人们在海马体中发现了一种依赖于经验的突触可塑性细胞模型——长时程增强（long-term potentiation，LTP），在哺乳类动物脑部中对记忆起着重要作用。LTP 最初于1966年被发现。对穿质通路（perforant path）的高频电刺激输入至海马体，导致被刺激突触持续数日增强。后续研究发现 LTP 显示出了 Hebb 所述的关联性和特异性的基本性质：（a）仅当突触后神经元强烈去极化时，活跃的突触才被特异地增强；（b）不活跃的突触不被增强。因此，共同活跃的一群突触与目标突触后神经元的连接会增强。这提供了一个可能的机制，将编码不同环境特征的神经元联系在一起，从而形成记忆的关联。

LTP 的起始诱导机制在海马体的不同区域是不同的，在相同脑区的刺激样式不同。在 CA1 区，100 Hz 的刺激诱导了一种需要激活 NMDA 受体的 LTP。而且，这种受体的特点能够解释 LTP 的关联性和活动依赖性。NMDA 受体既是电压门控，也是配体门控。要激活 NMDA 受体，嵌有 NMDA 受体的突触后膜需去极化，且与此同时突触前膜需释放谷氨酸。因此，NMDA 受体仅在这两种突触之间起作用：突触前膜活跃，且突触后膜所在的神经元在递质释放的同时或相近时间内被强烈去极化。激活 NMDA 受体会产生一股强烈的突触后钙离子内流，而钙离子内流是诱导产生 LTP 的必要条件。这个钙离子信号可以激活许多信号通路，包括 CaMKII，PKC，PKA 和 MAPK。这些通路被认为可以诱导并稳定 LTP。这些通用的分子信号通路也可以被调节性递质所改变，例如多巴胺，它此前被发现是 CA1 区域的 LTP 所需，提供了由这些递质介导的、可被注意、动机状态和奖励控制可塑性的机会。LTP 的早期阶段涉及到第二信使的激活，导致新 AMPA 类型谷氨酸受体嵌入突触的数量增加，从而加强反应。人们发现突触后膜致密区中有一个蛋白复合物参与到 LTP 后新谷氨酸受体的捕获。

LTP 有一个独特的晚期（L-LTP），它依赖于新基因的表达，拥有许多与海兔长时程易化作用相同的细胞和分子特征。L-LTP 所需的转录激活依赖于一系列蛋白激酶的激活，包括 PKA 和 MAPK 信号通路，它们最终能起到调节 CREB-1 转录因子的作用。L-LTP 也采用了一种突触标记的机制，捕获新表达的蛋白，正如之前所描述的海兔长时程易化作用。最后一点是，L-LTP 与突触中的结构变化相关，即依赖于 NMDA 的树突棘增大、可能在特定发育阶段增多的树突棘。

LTP 并不是一个单一的现象。相似的突触增强现象可由非常不同的刺激样式、不同的 NMDA 活性依赖情况所引发。而且，并非所有形式的 LTP 都依赖于 NMDA 受体。有些 LTP 并不涉及主要在突触后进行的机制。在 CA3 区神经元的苔藓纤维（mossy fiber）突触上的 LTP 是依赖于活动的可塑性，但并不依赖于 NMDA，且仅表现为突触前递质释放的改变。高频刺激（200 Hz）引发海马体中的一种 LTP，它依赖于电压门控的钙离子通道，而非 NMDA 受体。

另外，大多数引发 LTP 的刺激样式都为高频。这种刺激被认为是非典型的，因为在正常的学习过程中不太可能发生这种放电样式。因此，尽管基因敲除与其导致的外显式记忆缺陷之间有一些重要的相关性，特定形式的 LTP 与记忆存储之间的真实关系仍存有争议。在一次以更符合生理状态的刺激来诱导 LTP 的尝试中，突触前刺激与突触后动作电位被配对在一起。在这种依赖于放电时间的 LTP（STDP）中，突触前刺激必须先于突触后动作电位数毫秒（正如自然条件下神经元放电一样），以引发突触增强。如果将这个顺序反过来，则突触强度将降低，引起依赖于 NMDA 的形式的长时程抑制（long-term depression，LTD）。

虽然 LTP 是海马体中研究得最多的突触可塑性形式，还有许多其他的可塑性机制，它们共同组成了哺乳类动物脑的信息存储机制。具体地说，有数种依赖于活动的 LTD。在海马体中，延长低频刺激，或在基于放电时间的 LTP 中发生紧接着突触后活动电位的突触前活动，将引起一种依赖于 NMDA 受体的 LTD 形式。这种形式的 LTD 需要招募依赖于钙离子的蛋白磷酸酶以及突触处 AMPA 受体的数量减少，这似乎是 LTP 的分子机制的镜像。在小脑中，平行纤维与浦肯野氏细胞之间的突触会经历一种 LTD 形式，这种形式的 LTD 牵涉到运动学习，并且依赖于 G 蛋白耦联的代谢型谷氨酸受体以及 PKC 介导的 AMPA 受体减少。

以上关于哺乳动物的神经可塑性的讨论并不详尽。而且，许多形式的神经可塑性可以被其他递质系统所改变，也可被该突触以往的刺激历史所改变，即所谓的“再可塑性（metaplasticity）”。例如，在一个近期经历了 LTP 的突触中，不曾引起突触改变的刺激样式现在却可以引发 LTD。有了如此丰富的可能机制通过学习过程来塑造脑环路，我们现在可以探索更加难的任务：将这些多种突触可塑性机制与特定的学习和记忆形式联系起来。

Hippocampal Subregions and LTP in Explicit Memory
外显式记忆中的海马体区域与 LTP

需要空间学习的任务均依赖于海马体，因此这些任务被广泛地用于研究 LTP 在外显式记忆中的作用。在啮齿类中，这些任务通常依赖于各种各样的迷宫，比如 T型迷宫、辐射臂迷宫、水迷宫。这些任务通常要求动物使用远距离的线索来找到特定的目标位置。另外一种类型的空间学习任务是，环境条件恐惧。这种任务要求动物识别空间环境，而非到达某个地点。动物在一个有多种感觉线索的条件性隔间里被施以足底电击，这引起了动物对于含有相似线索的隔间的恐惧记忆。

在首次直接对 LTP 在依赖于海马的学习中作用的检测中，人们使用 NMDA 受体拮抗剂 APV 来阻遏大鼠的 NMDA 受体，并检测它们在水迷宫中的空间记忆能力。在施加了足以阻断海马体 LTP 的 NMDA 受体抑制剂量之后，动物学习水迷宫的新空间位置的能力也受到了抑制。在首次对于陈述性记忆中海马体 LTP 作用的遗传学测试中，人们改造出一种携带了 Fyn 激酶或 CaMKII 基因缺失的小鼠，并检测其 LTP 和记忆能力。基因敲除小鼠能够存活至成年，但无法产生海马体 LTP，且显示出几种依赖于海马体的学习形式的严重缺陷。接下来对于 CaMKII 的遗传学研究显示，即使一个氨基酸的突变也可使该蛋白无法自磷酸化、无法处于持续激活状态，这足以干扰 LTP 和记忆。

虽然小鼠遗传学研究使我们能够检测几乎所有基因的功能，但是这种方法有几个弊端，尤其对于行为学研究来说。组成型的基因敲除影响了动物体内所有细胞类型和发育阶段中该基因行使的功能。这样一来就很难判断所观察到的表型（例如无法产生海马体 LTP 和空间记忆）是因为成年小鼠海马体中该基因的缺失，还是动物在发育过程中某些分子或环路的改变，还是表达该基因的其他脑区的缺陷。为了解决这个问题，最近的工作均集中在能够局限于某个脑区和某个时间段的遗传学修饰。

关于 NMDA 受体在海马体中的作用的研究是这种方法的一个极佳例子。一系列研究使用了 CRE 重组酶的细胞类型特异表达，以去除不同海马体亚区中的、夹在 loxP 位点之间（即”floxed”）的 NMDA 受体基因。这些研究使得我们对于 LTP 在三突触环路不同组分中作用的理解更为准确。例如，有人特异地去除了小鼠 DG 区细胞中的 NMDA 受体，导致穿质通路中的突触无法形成 LTP。这些动物在环境恐惧区分任务中被检测，即动物被放置在两个不同的隔间中数日，并在其中一个隔间中接受足底电击。对照组动物能够学会区分两个隔间，仅对有电击的隔间表现出恐惧反应。基因敲除动物却对两个隔间都表现出恐惧。尽管敲除小鼠最终也能学会区分这两种样式，但是这些结果暗示，DG 区依赖于 NMDA 的可塑性对于动物区分样式的能力很重要。这与之前根据海马体环路的连接性质所假定的 DG 区功能相符。

CA3 区的神经元有个密集的循环旁支网，在输入信息不完整时，这个网络被认为可以完成样式填补。有人测试了这个想法。他们将小鼠 CA3 区神经元的 NMDA 受体特异地敲除，然后让小鼠接受水迷宫中空间学习的测试任务。他们发现这些小鼠与对照组小鼠在获取和提取空间记忆方面没有区别。然而，当一些远程视觉线索被移除后，NMDA 受体敲除小鼠表现出样式填补困难以及空间记忆提取缺陷。有趣的是，CA3 区 NMDA 受体敲除小鼠的 CA1 区神经元的空间感受野表现出空间特异性降低，而对照组的感受野能对残缺的线索环境产生特异性反应。

虽然仅当任务要求提高时，CA3 和 DG 区的 NMDA 受体缺失才能导致行为表现上的细微差别，早期研究发现 CA1 区神经元的 NMDA 受体特异性缺失会导致空间学习和环境条件性恐惧的严重缺陷。这暗示着 CA1 区的可塑性对于信息的存储十分重要，而海马体其他区域的可塑性起着微调的作用，令正确的神经元群被招募来编码记忆或回忆。

然而，最近有个研究重审了 CA1 区 NMDA 受体的作用，发现了其在空间学习中一个更为微妙的影响。在这个研究中，一种 NMDA 受体在 CA1 和 DG 区神经元均被敲除的小鼠品系被产生。与之前的报道不同，当接受水迷宫测试时，这个品系的小鼠与对照组小鼠表现一致。尽管这些小鼠能够产生关于平台位置的正常空间记忆，仅当竞争性的模糊线索被加入时，它们才表现出轻微的缺陷，暗示着 LTP 在 CA1 区内有更为微妙的作用。这作用可能是样式分离，令动物能够区分竞争性或重叠的记忆。

Mechanisms Involved in the Maintenance of Memory
参与记忆维持的机制

记忆的重巩固。过去十年来，关于记忆巩固的主要研究进展是一个观点的复兴：巩固并非对每个物体发生一次，而是在某些情况下，当同个物体被稍后回忆起来时，巩固可被主动唤起。当在记忆提取后的短暂时间窗口内施加蛋白合成的抑制剂，就会干扰后续的记忆存储，这与第一次学习后的巩固现象相似，因此被称为“重巩固（reconsolidation）”。这个假定的重巩固过程的细胞学机制相较于巩固过程来说，现在研究得还不太清楚。数个研究小组已报道了巩固与重巩固之间不共享的分子，比如大鼠海马体在环境条件性恐惧中，脑源神经滋养因子（BDNF）必须参与巩固，而转录因子 Zif268 不参与巩固，二者在重巩固过程中的参与度正好相反。重巩固仅招募部分巩固过程中的即早基因。在大鼠条件性恐惧实验中，真核起始因子 4E 和 4G 之间的相互作用为外侧杏仁核的巩固过程所必须，而非重巩固过程。迄今仍不清楚，这些差异是来源于假定的重巩固过程的独特机制，还是编码过程相较于提取过程的环境及线索特点。

与巩固（每当有新物体被编码成长时程记忆时都会发生）不同的是，重巩固并不会在每次记忆重激活时都发生。人们尝试找出决定重巩固是否发生的条件。找出的条件包括记忆的强度、重激活的时长，以及提取试验中是否有新信息。

一些研究显示，是否进行重巩固也与记忆的久远程度有关。在首次关于重巩固的报道中人们观察到，一段重激活的 14 天以前的恐惧记忆和一段 1 天前的记忆一样易受到注射在杏仁核的蛋白合成抑制剂茴香霉素的影响。同样的，还有人观察到重激活的 45 天以前的环境恐惧记忆和一段 3 天前的记忆一样仍受到海马体内注射茴香霉素的抑制。然而有人报道，在重激活大鼠抑制性回避记忆后全身施加茴香霉素，只会导致 7 天以内的记忆丧失，不影响更久远的记忆。同样的，也有人报道全身施加失忆症试剂 MS222 会抑制青鳉鱼 4 天前恐惧记忆的激活，而非 15 天前的记忆。这就引出了一个假说：重巩固是一个一直进行着的巩固过程，然而当巩固最终完成后，记忆不再被重巩固。

关于抑制重巩固的研究受到了大量关注，因为它暗示着缓解人类创伤后应激障碍（PTSD）的可能方法：重激活创伤记忆，令重巩固过程启动，然后利用行为操纵来消除这段记忆，或施加药物试剂如乙型交感神经受体阻断剂心得安来减轻情绪反应，从而减少唤起原事件的情感效价。

为了进一步检验这个想法，人们在大鼠重巩固一段恐惧记忆的同时让其进行消退训练。他们令大鼠将声音和电击联系起来，于 24 小时后用声音激活该记忆，然后在重激活时间窗口内或其后进行消退训练。当测试后来的记忆强度时，在重巩固时间窗口内接受了消退训练的大鼠在 24 小时后记忆减退，而重巩固结束后才接受消退训练的大鼠的记忆没有减退。有人在人类身上进行了类似的实验。他们训练被试对于一个视觉条件刺激产生恐惧，伴随这个信息的是手腕上的微弱电击。一天以后，向被试仅仅展示视觉条件刺激，然后让被试在 10 分钟或 6 小时后进行消退训练。恐惧记忆的强度以条件刺激后的皮肤电导率来衡量。10 分钟组被试的长时程记忆可被抑制长达一年以上。找到人类可塑性的更新时间窗口为我们打开了许多可能性，从创伤后应激障碍，到课堂学习效果的提升，以及理解记忆失真。

外显式记忆的维持。正如在内隐式记忆中一样，在外显式记忆中，巩固后的记忆需要维持。这引发了一个问题：哪一个分子机制促进了依赖于海马体的记忆的维持？多种可能的机制被提出，其中包括一些蛋白激酶。一些研究指出了这些机制与非脊椎动物中所发现的分子机制的相似性。比如，胞质多聚腺苷酸元件结合蛋白3（CPEB3）是局部蛋白合成的一个调节因子，也是海兔 CPEB 在小鼠中的同源蛋白，一种有功能的朊病毒蛋白。有人发现 CPEB3 可被 Neuralized1，即一种 E3 泛素连接酶所激活。在海马体培养物中，CPEB3 被 Neuralized1 介导的泛素化激活，导致新的树突棘生长和 AMPA 受体的亚基 GluA1 和 GluA2 的增加，而这两个亚基是 CPEB3 的作用目标，对于突触可塑性很重要。条件性过表达 Neuralized1 能够相似地增加海马体中的 GluA1，GluA2，树突棘和有功能的突触的数量，并反映出增强的海马体依赖型记忆和突触可塑性。相反地，抑制 Neuralized1 会减少 GluA1 和 GluA2 并使海马依赖型记忆的维持和突触可塑性受损。这些结果暗示着一种模型：依赖于 Neuralized1 的泛素化通过调节 CPEB3 及基于 CPEB3 的蛋白质合成和突触形成，促进了海马体可塑性的维持以及海马体依赖型记忆的储存。

Memory Allocation in Neuronal Circuits
在神经环路中定位记忆

如何在哺乳动物脑中定义一个神经环路？从一个层面来说，有一种定义清晰的、由发育控制的连接样式，比如海马体三突触环路或皮质柱。尽管这种典型的连接显然是其功能的一种重要限制，但是令人惊奇的是，这些环路可以表征许多不同的外界事件，编码多种记忆。人们以为每个神经元都可以参与到不同的表征或记忆中，在一个更深的层次上，一个神经环路由其表征的东西所定义。这些环路多大程度上是先天决定的？他们如何在编码和提取过程中被特异性地招募？一个新的记忆如何在不改变已有记忆的基础上通过改变突触强度而形成？一些新的遗传技术以及下面即将讲到的新电生理方法，正在尝试解答这些问题。

神经元之间的竞争通常为发育和使用中的神经环路的调整所必须。这就引发了一个问题：神经元群体的竞争和对部分神经元的偏好选择在成人脑部编码记忆的过程中有作用吗？在对恐惧记忆的研究中，将过量或持续激活的 CREB 诱导至小部分杏仁核神经元中就会导致那些神经元特异地被招募来编码动物接下来被训练得到的记忆。反过来，如果这些神经元在学习后被去除，这个特定的恐惧记忆就会被抑制，而其他的恐惧关联不受影响。这项研究揭示了被招募至任意记忆的一群神经元有很大的灵活性，至少在杏仁核中如此。而且学习时神经元的静息状态决定了其被招募至该记忆环路的概率。

Synthetic Traces in the Mammalian Brain
哺乳动物脑部的合成轨迹

对学习引起的神经活动样式的观察令我们更为了解不同脑区中编码的可能信息。然而，对于分布各处的神经元及特定细胞学机制的功能的进一步观察需要直接的操作手段。而且，通过直接控制候选神经元群的活动，人们可能能够模拟内部表征（比如，在正在行动的动物脑中产生“合成轨迹”），从而建立起特定的活动样式，这种样式不仅仅与记忆相关或是其必要条件，而且还是其充分条件。

一种有效的方法利用了 cfos 启动子来将感觉诱发的神经活动的自然样式与遗传变异联系在一起，这样一来，行为过程中被激活的神经元的样式几乎能够特异性地改变任何指定的蛋白。这使得一些研究人员可以检测依赖海马体的记忆的本质。利用基于 cfos 的遗传标记方法，他们特异地在环境条件性恐惧学习任务中被激活的神经元中表达了光敏感通道蛋白（ChR2）（图3）。当光脉冲传送至海马体 DG 区以刺激表达 ChR2 的神经元时，动物表现出恐惧。这暗示着人工刺激学习过程中活跃的 DG 区神经元能招募恐惧记忆表征的一个部件，能从本质上导致动物“认为”他们处于有条件刺激的训练盒中。

图3（Kandel et. al., 2014）

除了光遗传学这种通过光控通道来控制神经活动的方法，还有一种化学遗传学方法，利用只被设计药物激活的设计受体（DREADD）。其中一种设计受体（hM3Dq）是一种 Gq 耦联的人类毒蕈碱受体，它被突变改造成不响应乙酰胆碱而响应合成的配体，氯氮平-N-氧化物（CNO）。在海马体极性细胞中，用 CNO 激活 hM3Dq 导致 5-8 mV 的去极化，从而令动作电位放电增加。有人利用这种基于 cfos 的遗传标记方法来控制特定神经元群的活动，利用 hM3Dq 来探查内部产生的神经元表征在环境条件性恐惧中的功能。研究人员用 hM3Dq 受体标记了一种环境下（训练盒 A）被激活的神经元群，然后用 CNO 刺激这些神经元，而在另一个环境中（训练盒 B）施加足底电击。这些动物似乎能形成一种混合型的神经元表征，这种表征融合了训练盒 B 中的自然感觉活动和训练盒 A 中由 CNO 激活的神经元的人工生成活动。

这个有着高度人造神经元活动样式的实验能给我们提供自然条件下学习与记忆的机制的图景吗？典型的记忆研究经常被忽视的一点是：在实验起始，大脑并不是一个白板；在实验者不提供刺激的时候，大脑并不是沉默的，大脑也并非只对实验刺激产生反应。通过各项技术，如 EEG、内源光学成像、功能磁共振成像等，现在已经可以确定除了实验刺激引起的活动之外，脑部还有大量自发产生的脑活动。这些自发活动的功能是什么？它如何有助于记忆的形成和维持？一个线索可能来自对于海马体定位细胞的记录，记录在静息状态下进行，以及其后动物探索不同环境的典型活动过程。在这些情况下，自发的脑活动趋向于呈现出一种时间相关的样式，与真正的探索活动的所见平行。类似的感觉唤起活动也被发现在其他脑区中，比如视觉皮层。这表示以前经验的元件被表示为内部产生的活动中。与探索训练盒 A 这一旧经验关联的神经元，在动物处于训练盒 B 中学习厌恶关联时也被内部激活了，而且若要产生恐惧回忆，训练盒 A 神经元的共同激活是必要的。在其他的复杂学习形式中，类似的过程一定是共通的：新的信息与原有的信息整合在一起，形成了复杂的知识框架。

Part III: Explicit, Declarative, Memory in the Human Brain
第三部分：人脑的外显式、陈述型记忆

可用于动物模型研究的分子和细胞工具十分丰富，而且通常是侵入性的，因此无法应用到人类身上。然而，人类脑部研究于20年前受益于功能性核磁共振成像（fMRI）的引入而发生了革命，fMRI 可以揭示某个脑区的活动以及其在完整、觉醒、正在活动的人类脑部记忆存储中的功能。尽管它的时空分辨率较有限（分别为毫米和秒），且其于神经元活动的关系很复杂，但是 fMRI 血氧水平依赖的（BOLD）信号仍是我们现在探索完整人类大脑的记忆机制的主要实验数据来源，它在记忆范式中有时间锁定性能。近年来，fMRI 的方法、数据分析和行为学范式得到了改进，这些改进提高了记忆功能定位的分辨率，让我们更好地理解脑区之间的功能性相互作用，而这在以前是无法做到的。

为了找出哪个脑区对于编码外显式记忆很重要，人体上的研究通常采用“subsequent memory”范式。在这个范式中，脑活动于学习（编码）阶段中进行，记忆的强度在接下来的阶段中被测试，这个阶段可在数分钟至数月以后，具体时间依实验方案。在编码将被记住和被遗忘的物体（Dm，基于之后记忆强度的差异）的记忆时，被识别的脑区活动的差异被用于寻找用于编码的候选神经环路。越来越多的证据来自于类似实验。人们找出了一些脑区，这些脑区的 BOLD 活动能够成功预测编码。通常，可预测记忆的活动被发现在（但不限于）内侧颞叶，这和临床发现失忆症中有内侧颞叶损伤、外显式记忆的动物模型相符。除了内侧颞叶之外，还有前额叶皮层亚区和后顶叶皮层。

在内侧颞叶中，海马体和周围皮层（MTLc）有功能区分。其计算的本质尚不清楚。然而，根据多种动物模型，人们得出一致的观点：海马体中整合了来自内侧颞叶皮层的信息，以支持多种刺激特征的结合。同样的，人们也努力将海马体内编码相关的不同功能区分开。目前大多数研究使用的是结合了先进的数据分析的高分辨率 fMRI 以及患者颅内电生理记录。对于海马体长轴的研究指出，海马体前端更倾向于表征环境。相反，海马体后端表征细节。

研究动物模型的同时，人们还分析海马体亚区在人类记忆中的作用，探索特定的记忆多大程度上依赖于样式分离和样式填补的能力。样式分离被认为有助于编码，样式填补被认为对于记忆提取很重要。对于海马体的高分辨率成像揭示出海马体亚区之间的差异，CA3 或 DG 区的活动与样式分离一致，CA1 和 下托区的活动与样式填补一致。样式分离和样式填补在任意时间点上的计算的参与都可能与学习时的编码模式和提取模式的激活有关。既然在实际生活中，被试对于所呈现信息的至少一部分并不完全陌生，人们预期在学习状态下的事件编码和提取之间会有一个矛盾，这两种模式在时间上相互隔离，仅在不足一秒至数秒的时间内发生交换。关于这种交换对于学习结果的影响，最近有人发现新物体的近期编码改善了对后续刺激的微小变化的识别，说明编码模式会给样式分离带入偏差。相较之下，对于老物体的近期提取能够促进后续新信息整合进旧记忆，说明提取模式也能给样式填补带来偏差。

在人类记忆中对于海马体的角色的研究也揭示了认知过程隐性地调整或影响记忆。有人检查了社交引入的记忆错误在脑中是如何产生的。以 5 人为单位的几组被试者均观看了一段陈述性的电影，并在几天后接受测试。被试能够准确而真实地记住大部分信息。接下来每个被试进入 fMRI 扫描仪，且接受同组被试对于测试真实答案的相反回答。原本正确的答案中有相当一部分被篡改（这与早前关于社会规则力量的研究结果一致）。这种长期而非暂时的错误记忆可被暴露在社会影响下发生增强的杏仁核活动以及海马体-杏仁核功能连接度所预测。测试后报告表明，多数被试并未意识到自己被操纵，更别提他们的长时程记忆的改变。换句话说，隐性地改变显式记忆需要这种多数情况为潜意识的海马体-杏仁核交互作用。有人找到了海马体在隐式决策偏差中的角色。他们诱导了一对神经视觉刺激 S1 和 S2 之间产生新关联，然后将部分 S2 刺激与金钱价值关联起来。在实验的最后一步，他们要求被试在一对 S1 物体中进行选择：与有奖赏的 S2 关联的 S1+，以及与没奖赏的 S2 关联的 S1。被试倾向于选择有奖赏的 S2 而不是没奖赏的 S2。大多数被试也显示出倾向于 S1+。研究者发现，这种偏好可以由奖赏学习期间某些脑区的 BOLD 活动所预测，这些脑区有：海马体后端、与特定 S2 相关的视皮层区域，以及与奖赏有关的海马体与纹状体之间的功能连接区。扫描后报告没有显示出与奖赏关联或意识到任务结构的显式记忆，说明海马体在基于价值的决策中参与了对候选项进行的自动选择。

功能性神经成像也将前额叶皮层（PFC）的子区与人脑中新记忆的编码相连了起来。人脑的额叶皮层比其他灵长类的更为进化，因此被认为可能在人类发展最高级的复杂形式的记忆中有作用。在将事件信息整合到已有记忆以及过滤和促进新信息合并到知识框架的研究领域中，前额叶的参与最近引起了人们的注意。比如，让被试观看电影的前 80 min，其中半数被试以固定顺序观看，而另外半数以随机电影片段的顺序观看。第二天，被试以正确的顺序观看电影的最后 15 min 片段，同时接受 fMRI 扫描。被试的先验知识和物体识别的表现与编码期间被试间腹面内侧 PFC（vmPFC）的同步活动增强以及海马体- vmPFC 功能性连接减少相关。这种区域间的连接度样式可持续至编码后静息期 15 min。作者将数据解释为，为了补偿在缺少先验知识的情况下进行新信息整合的困难，额外的海马体和 vmPFC 之间的相互作用是必需的，而且这种相互作用持续进行，以支持编码后立即进行的巩固。基于这些以及其他的研究，人们发现记忆的效率可被基于一致的内侧颞叶和 vmPFC 之间的交互所提高。这与大鼠中发现的框架加速系统性巩固（schema-accelerated system consolidation）相符。

如上所述，fMRI 的时间分辨率较低，且其测量神经活动间接地依赖 BOLD。因此，许多 fMRI 研究最初关注的是功能定位。然而，一些啮齿类文献显示，如果不关注神经活动的时间动态性，我们不太可能理解大脑系统层面的记忆机制。在人类中，这种在时间上的分析迄今仅限于经典事件相关电势（ERP）的记录。这种方法有很好的时间分辨率（毫秒级别），但是空间分辨率较低（厘米级别）。有人尝试将 ERP 和 fMRI 相结合，提取出仅使用 fMRI 无法得到的信息。比如，监测两种类型的语言任务，一种任务将词语与动画物体关联起来，另一种任务探查词语词首与词尾字母的字母顺序，两种任务中的 fMRI 记忆特征相似，然而 ERP 特征有定性上的差异，说明大脑机制在高时间分辨率上有不同。而且，ERP 数据能够呈现编码任务之前及紧接其后的激活情况，这些被更缓慢的 BOLD 信号所掩盖。

动物模型中细胞水平的高分辨率功能性成像有了令人瞩目的进展，人脑神经生理方面最近也有进展，使得人们又开始寻找对于人脑记忆的更高时间分辨率的检测方法。一个例子是，theta 和 gamma 波在编码物体和遗忘物体中的作用；theta 波是一种神经活动的振荡，脑电图显示其通常在 4-10 Hz 的范围中，而 gamma 波是一种更高频率的神经活动振荡，通常在 25-40 Hz。人们记录了经历神经手术、进行序列记忆任务的病人的颅内脑电图，并在 theta 波范围内找到了海马体振荡的两种样式：慢波（3 Hz）和快波（8 Hz）。他们的其中一个发现是，慢波的作用与成功编码相关，而且 theta 波与颞叶的振荡同步，表明在有效编码的过程中，海马体和颞叶之间立即发生了相互作用。

Systems Consolidation and Transformation of Declarative Memory
系统性巩固和陈述性记忆的转化

多年来，“记忆的巩固”这个词被用于两种不同但有关的意思，反映了描述的层次。突触、细胞或即刻巩固指，基于基因表达的、编码了记忆的、信息向长时程神经环路形式的转换过程。它的分子基础在本综述前面部分已有描述。系统性巩固是指，一种更为缓慢的、编码后的、通过分布式脑环路的、长时程记忆的重新组织，使记忆能够持续长达数月至数年，且人们通常在促进外显式记忆的皮层-海马体系统里研究系统性巩固。

当前人类系统性巩固的模型来自对失忆症患者的行为学和解剖学上的观察，以及监控健康人基于时间的、回忆相关的脑部活动 fMRI 研究。这些模型可分为两种：“标准巩固理论”以及挑战“标准巩固理论”的模型，后者包括“多踪迹理论”和近期提出的“踪迹转换理论”。

在类似于病人 H.M. 的“全局失忆症”中，病人遭受了内侧颞叶，尤其海马体和内嗅皮层的损伤，在许多外显式记忆任务中的表现也显示出以时间反应严重程度的逆行性健忘症，这表示以前的记忆不太依赖于完好的内侧颞叶。标准巩固理论试图解释这种现象，该理论认为海马体仅仅是记忆的暂时性存储区域，此后记忆存储在新皮层。具体地说，模型假设了陈述性信息的编码、存储和提取在起始阶段依赖于海马体和有关内侧颞叶结构以及与完成编码的刺激有关的新皮层。随着时间变化，信息被重新组织，此过程涉及到海马体表征向新皮层的重现。这恢复了相应的新皮层记忆，从而诱导了新皮层连接的增长式调整，最后建立起一种持久的、重新组织过的表征，而海马体中的记忆会消褪。

近期有一些证据似乎与标准巩固理论不相符。最有代表性的是，内侧颞叶的损伤对不同类型的事实和事件有不同的影响，其中亲身经历的事件所受影响最大：这种记忆的逆行性时间梯度即使存在也很不明显。受这些现象以及动物模型中相应发现的启发，有人提出了“多踪迹理论”。该理论认为海马体快速而强行地编码了所有事件信息。这些信息被疏松地编码在分散的海马体神经元中，作为参与该信息的神经元的索引，并将这些神经元整合成一体的表征。最终形成的海马体-新皮层神经元群组成了事件的记忆踪迹。既然踪迹的重激活通常发生在改变后的环境下，它会使新的海马体踪迹被编码，从而将新皮层中的新踪迹结合起来。这带来了多个踪迹，这些踪迹之间共享着原始事件的部分或全部信息。随着时间变化，多个相关踪迹有助于将事实信息提炼成该事件的语义表征。这个信息整合成一个更大的语义知识体系，并变为独立于特定学习事件。关于事件的环境信息为事件的回忆和持续所需，且根据此模型，只要记忆需要被保留，就依赖于海马体。

多踪迹理论的反对意见声称，内侧颞叶明确有损伤的病人仍能保留完整的、包括亲身经历在内的久远记忆，除非损伤超出了内侧颞叶。这个驳论来自于损伤仅限于内侧颞叶的病人。这个论点同样无法解释为什么在健康人提取久远的亲身经历记忆时，功能性神经成像会在海马体中发现激活现象。因此，现在有几个关于功能性成像数据的开放性的问题留给了我们。这些问题包括：1）海马体激活多大程度上是促进记忆重建和重编码的线索诱导的想象、而非真正的回忆的结果；2）激活是否反映了提取必须的过程，还是仅仅一个相关过程？

现在应用在动物模型上的新技术也指出了系统性巩固的新方面。许多研究组报道了啮齿类在环境条件性恐惧实验中的逆行梯度，海马体损伤会严重影响学习后早期的回忆，但对于更远时间点的回忆没有影响。但是也有相反的报道描述了人类陈述性记忆的失忆梯度。这个问题最近被研究人员通过快速的光遗传学方法抑制海马体而进行了重审。嗜盐菌紫质是一种光控的氯离子泵，它能在毫秒级别的时间范围内超极化神经元，从而阻止动作电位的产生。在环境条件性恐惧实验后的远时间点通过嗜盐菌紫质抑制海马体会干扰回忆，这暗示着海马体一直参与着久远的记忆。矛盾的是，如果模拟药理作用和基于损伤的研究，将抑制在回忆前延长 30 min，其对记忆的影响就消失了。这暗示着，在学习后较远的时间点，海马体仍正常地被回忆招募和需要，但是如果海马体通路的缺失有所延长，则有某些补偿机制来实现不依赖于海马体的记忆提取。这个发现强调了永久性损伤和暂时性损伤的重要性和差异。

The Role of Sleep in Consolidation
睡眠在记忆巩固中的作用

动物和人类研究均提示我们，睡眠甚至短暂的小睡有益于记忆的巩固。最初人们认为，睡眠在巩固中作用的证据在隐式获得的感觉和运动技能中比在其他类型的记忆中更为确凿。然而，我们现在已经十分清楚，外显式记忆的巩固也受益于睡眠。睡眠可能优先促进增强情绪性的事件和预期将被回忆的物体。有人训练清醒的被试，令其将物体的位置和声音联系起来。他们发现，仅在被试睡觉时响起的声音相应的联系才能得到增强。这暗示着特定的联系能在睡觉时被优先重新激活和增强。

巩固在睡眠中是如何发生的？从早期的假说可引申出，睡眠已演化出了稳态。近年有人认为，觉醒时的可塑过程导致了一张广布的网络，增强脑中的突触连接强度，而睡眠的作用在于降低突触强度至基础水平，使能量可持续，也可能有助于第二天进行新的学习。这暗示着，睡眠在维持记忆系统上起到了重要的作用，或者至少是允许记忆巩固的。另一个不同但也不互斥的观点是，睡眠参与了记忆巩固的主动过程，因此是巩固的必要步骤。这种观点叫做“睡眠中的主动巩固假说”。他们提出，在慢波睡眠的过程中，特有的神经活动样式和低水平的类胆碱活动共同作用促进依赖于海马体的记忆的重激活和在新皮层上的重分布，从而实例化系统性巩固。随后在快速眼动睡眠中，高水平的类胆碱和 theta 波活动促进了重新分布在新皮层的表征的突触巩固。由此看来，突触巩固是系统巩固的一个子过程。类似的系统-突触序列也可能发生在某些内隐式记忆中。

Retrieval of Explicit Memory
外显式记忆的提取

我们大脑可以接收复杂的外显式信息，并在不足一秒的时间内作出反应，但我们仍然不知道大脑是如何做到的。行为学模型引导我们预期，大脑通过多个回路的先后和平行分布的过程组合来实现功能。内侧颞叶参与长时程外显式记忆的提取的早期阶段并无争议，而且近期的研究指出，内侧颞叶通常为丰富环境外显式记忆的提取所必须，只要记忆仍存在。在记忆提取时，前额叶皮层与内侧颞叶发生相互作用，自上而下地选择信息，更新事件特征，对记忆提取的产物进行加工，将我们的反应与手头的任务对应起来。而且，颅骨皮层的数个区域参与了注意力驱动的记忆提取和搜索，以及整合和表征事件特征。

当 fMRI 只能提供一段时间里脑部状态在各个瞬间的平均情况、测量时间比实际提取过程长许多的情况下，我们如何从中产生对复杂如记忆提取的过程的洞见？之前的研究使用了非侵入性的头皮 EEG 技术获取记忆提取过程中的时间序列数据，但是该技术低空间分辨率的缺点带来了严重的问题。最近研究指出，与上文提到的关于外显式记忆编码的研究类似地，在病人身上进行侵入性的电生理记录，有利于更好地分析。

有人在提取时空环境的记忆的病人上进行皮层脑电图（ECoG）记录脑活动，结果显示其脑部在毫秒级时间尺度内有大规模的活动（图4）。他们同时记录了内侧颞叶、前额叶和颅骨皮层（记忆提取网络的主要部分）的不同区域，并使用不同脑区之间相位的同步情况来测量网络的连接度。他们发现，成功的记忆提取与更高的总体连接度相关，而且发生在成功的时间环境提取的相互作用的频率，比空间环境提取时的更高。

图4（Kandel et. al., 2014）

这些结果提供了与单个事件相连的、在同一网络的多个环境如何被提取的洞见。他们也说明了，要理解人脑的记忆提取，功能定位研究必须与能够测量快速电生理活动的研究相互补充。而且，这样的研究必须在健康人身上进行。随着讨论越来越深入，了解“外显式记忆如何被提取”成为了人类记忆神经学的重大挑战之一。

Open-Ended Questions
尚未解决的问题

突触的系统生物学。突触前后末端的蛋白复合体的生化和遗传学特征为我们提供了突触传递和神经可塑性的分子机器的信息。正如我们所见，突触强度和行为的调整包括了一系列在不同时间尺度上的复杂的分子信号机制，无论是在突触中，还是在整个细胞范围内。未来记忆生物学甚至整个生物学面临的一个挑战是，理解复杂分子机器和信号通路中各组分之间的相互作用。得益于新的成像技术，这种系统学方法进入了生物学研究人员的视野，如冷冻电镜，一种采集大的蛋白复合体的结构数据的方法，以及实时荧光成像，测量一系列从蛋白互作到信号转导通路的分子过程。最后，我们还有一系列从基因组学到蛋白组学的策略，来测量基因和蛋白表达水平的全局变化、修饰和信号传导。这种在生物学中应用大数据的方法，现在已有复杂的计算模型相匹配，模型受生物数据所限，提出可检测的预测供实验验证和模型改进。现实的计算神经科学的演变以及其与记忆研究的整合已证明其巨大的价值，且在未来会变得更加重要。

记忆的系统神经科学。迄今，我们对记忆的细胞和分子机制的所知大多来自相对简单的无脊椎动物和哺乳类神经系统，这些系统处理的是单模态的感觉信息，且发生在预定的神经环路中。理解更为复杂的记忆在稀疏分布的神经网络中的神经编码是一个巨大的挑战，对于哺乳动物，包括人类的研究尤其如此。更复杂形式的记忆是被编码和表达为较简单的群体频率，还是动态的时空编码？如果确实如此，那么这些编码的确切类型和象征性元素究竟是什么？这个表征是分布式的，需要多个脑区的协调活动，还是收敛的，由少数细胞表示特定事物？这个编码有多稳定，信噪比有多大？基于使用程度的可塑性是如何、在哪里改变这些环路的，又是如何改变神经系统各个层面的后续活动、将记忆实例化的？近期发展起来的、对活动中动物大量神经元的钙成像、光遗传学操作、基于活动的遗传学修饰以及作为辅助的计算方法等工具，可能为这些记忆研究领域中重要的问题指出明路。在接受监视和治疗的病人的大脑中进行的电生理记录和利用脑机接口激活脑部获得了进展，以及未来由脑启发而来的技术和类脑设备将有希望为我们理解记忆的系统神经科学提供新的角度。

脑部疾病的系统学问题。一些有记忆缺陷的人类认知疾病的动物模型已被建立，并可能为我们提供关于这些疾病的更多的信息。为了进一步了解突触、细胞和环路的异常如何导致记忆缺陷，我们需要各种严谨有效的、理论上如同在人身上进行的小鼠行为学范式。这也许能够有助于开发更为可靠、高效的成像和认知生理学标准，以发现早期阿尔茨海默病人随年龄增长而发生的记忆消褪，并尝试开发针对每个病人的治疗方法。

与精神分裂症伴随的人类认知紊乱以及抑郁症伴随的记忆缺陷都需要更多的动物模型，以深入了解这些疾病。治疗这些疾病的方法非常亟需，因为过去 40 年来已没有任何新的抗精神分裂药物被研发出来，过去 20 年来也没有任何新的抗抑郁药物被研发出来。

Summary
总结

在过去的 40 年中，对学习与记忆的生物学机制的研究获得了许多进展。在一个控制行为的简单神经环路中，细胞与分子生物学工具揭示了单个神经元和分子信号通路是如何被学习行为调整的。由特定电活动样式或调节性神经递质活动引起的突触强度变化能改变信息处理方式，从而控制行为。记忆贮存和突触可塑性都有不同的时间阶段，从短期转变到长期的突触和行为记忆需要表达新基因。那长时程阶段还基于多个细胞学机制，比如突触标记，突触的蛋白合成变化，可能的基于蛋白激酶的级联反应和功能性自我维持的类朊蛋白维持机制。

我们已经开始窥得更复杂形式的外显式记忆的神经环路的结构，这结构包括海马体、相邻的内侧颞叶皮层以及其他新皮层脑区。我们还探究了这些脑区之间的联系的未知和动态变化。近年发展而来的技术能在遗传学层面上对神经元进行操作。基于它们在学习和回忆时的自然生理活动，我们能直接检测散布各处的神经细胞的功能以及它们在表征复杂外显式记忆中的作用。最后，功能性成像的进步与新的测量大规模神经元活动的电生理和计算方法正帮助我们找出人脑的哪个区域参与复杂的外显式记忆，并探索这些区域的神经元的编码性质。