上海纽约大学全球定位系统

说到生命最初几年的记忆，我们都是健忘症患者|来源:pexels.com

引导阅读

海马体的存在不仅让我们建立了一个关于空间的认知地图，也说明了我们对过去的记忆是建立在认知地图上的。

写|奥康纳先生

翻译|中文

校对|里昂

编辑|橘子汽水

26周大的早产儿乔恩，出生时体重只有0.91 kg，无法自主呼吸。前两个月，他被放在保温箱里，但最后还是顺利度过了婴儿期和童年。四岁时，他有两次癫痫发作。大约一年后，他的父母开始注意到乔恩记不起他日常生活中发生的事情。他不记得看了电视，不记得在学校发生了什么，也不记得看了什么书。乔恩智商正常，会读书写字，在学校表现也很好。他能记住事实，但记不起过去。

到了乔恩19的时候，他找不到去任何地方的路，也不记得熟悉的环境，不记得自己的东西放在哪里，也不记得两地之间的路线。

直到神经科学家用磁共振成像技术对他的大脑进行了探索，才最终揭开了那些奇怪表现的原因。他们发现乔恩的海马体(颞叶深处的双侧大脑区域)异常小，大约是健康海马体的一半大小。这似乎是由于婴儿时期的大脑缺氧以及随之而来的惊厥，对海马细胞造成了严重的损伤，严重阻碍了海马的正常发育。

*译者注

惊厥是一种医学状况，即身体的肌肉快速而反复地收缩和放松，导致身体不受控制地抖动。由于抽搐通常是癫痫发作的症状，因此“抽搐”一词经常与癫痫发作混淆。

海马体对于空间认知和记忆非常重要，它受到儿童探索环境和空间导航经验的影响|来源:维基百科。

自1990以来，乔恩一直是许多研究论文的主题，但为了保护隐私，他的真实姓名没有公开。他的案例表明，海马体在人体中起着至关重要的作用。海马体的存在不仅可以让我们建立一个关于空间的认知地图，帮助我们记住位置，找到正确的路线，还表明我们对过去的记忆，也就是情景记忆，是建立在认知地图上的。

*译者注

认知地图(Cognitive map)又称心智地图或心智模型，是一种心智表征，服务于个体获取、编码、储存、回忆和解码关于其日常或隐喻空间环境中现象的相对位置和属性的信息。

天普大学心理学教授诺拉·s·纽科姆(Nora S. Newcombe)解释说，“海马体进化出了空间导航的功能。我们的一个猜测是，在我们漫长的进化史中，因为海马体的神经结构非常适合情景记忆，所以被进化劫持了。”

空间认知和记忆对人类的意义远远超过日常生活:它们形成了我们的自我感知。对过去的记忆就像我们个人身份的支柱；我们用它来创造生活中独特的故事。正是这些故事塑造了我们的行动和决定，也为我们对未来的遐想画出了一个框架。

最近的研究揭示了海马体在童年和童年时期是如何发育的，那时神经回路逐渐成熟，新细胞通过放电将空间编码到认知地图中。儿童探索环境、空间导航和自我运动的经历都会影响海马体的发育。

纽约大学神经科学中心的研究员阿莱西奥·特拉瓦利亚(Alessio Travaglia)说:“这是一个非常令人兴奋的发现，因为我们通常认为大脑的成熟度只取决于时间和基因编程。但我们想说明的是，大脑的发育不是一个程序，它与经验有关。在纽约长大的婴儿和在沙漠或森林中长大的婴儿肯定会有不同的经历。”

这一关于神经可塑性的发现令人着迷，但也敲响了警钟。儿科医生早就警告说，孩子们玩耍的时间和他们的自由时间越来越少，他们的久坐时间变得比以往任何时候都长。

一个多世纪以来，像乔恩这样的失忆症患者为科学家提供了一种研究记忆的新方法。也许科学文献中最著名的健忘症病例是H.M。他首先是一个癫痫患者。后来在1950年代，他27岁的时候，他的一部分颞叶被手术切除了，他失去了获取和提取情景记忆的能力。正是H.M .的案例让科学家们发现海马体是情景记忆的来源。

有趣的是，我们都像H.M .和Jon。谈到生命最初几年的记忆，我们都是健忘症患者。2岁之前的事情我们都回忆不起来，6岁之前的记忆都很粗糙不可靠。这种奇怪的现象被称为婴儿遗忘症，其次是儿童期遗忘症。几十年来，它们在人类和其他物种(从老鼠到灵长类动物)中的普遍存在一直是个谜。

天普大学空间智能和学习中心首席研究员纽科姆说，“每个人都认为生命的头两年太重要了。然而，如果我们记不住这两年，它们有多重要？对于这个问题，我们确实有一些答案。但如果我们没有一个清晰干脆的答案，那就说明我们对大脑的了解还是太少。”

西格蒙德·弗洛伊德(Sigmund freud)给婴儿遗忘症起了个名字，并解释为一种压抑:大脑会阻止婴儿时期的欲望和情绪进入成年人的内心，而心理治疗可以让那些欲望和情绪重新出现。后来，一些关于婴儿期遗忘的解释试图反驳弗洛伊德的观点，提出了另一种假设:语言习得赋予了儿童长时间记忆的能力。然而，还有其他物种在婴儿期表现出遗忘，根本没有发展出语言，因此这种观点的正确性仍然存疑。

1978年，神经科学家Lynn Nadel和John O'Keefe出版了一本里程碑式的书《海马体作为认知地图》。它提出了一个理论，即这种类似海马体的大脑结构是大鼠、人类和其他动物表征环境的地方。这些认知地图为空间记忆、定向和导航提供了基础。值得注意的是，空间记忆系统是从我们的自传记忆中提取存储场景和叙事方式的材料。的确，我们对经验的记忆总是注入了时间和空间的背景。当我们回忆起很久以前发生的事情时，我们会进入一次精神的时间旅行，并在脑海中想象过去事件的时间和地点。

奥基夫的一个早期发现支持了这个理论:在老鼠的海马体中有一种神经元，他称之为位置细胞。当动物处于陌生或熟悉的环境时，这些神经元都会放电。不同位置的细胞在一个环境中的不同地方活动，共同形成认知地图。这一发现为奥基夫赢得了2014年的诺贝尔奖。在他之后，其他科学家发现了海马体中用于空间记忆和导航的其他重要细胞。这些细胞包括根据我们的头部面对水平面的位置放电的头部方向细胞，以及当我们在环境中行走并建立坐标系时放电的网格细胞。

在陌生或熟悉的环境中移动、探索、体验，都会导致这些细胞放电。有证据表明，环境的丰富性和复杂性会影响神经元的数量，进而影响海马体的体积。例如，在1997中，一些研究人员发现，在丰富环境(纸管、用于筑巢的纸条、滚筒和可以重新排列的塑料管)中探索的小鼠比对照组长出了4万多个神经元。这些新加入的神经元使其海马体的体积增加了15%，并显著提高了其在空间学习测试中的表现。研究人员得出结论，正是神经元、突触和树突数量的增加极大地提高了这些动物在测试中的表现。

*译者注

*科学家约翰·奥基夫、迈·布里特·莫泽和爱德华·I·莫塞尔因发现构成大脑定位系统(GPS)的特殊细胞的研究成果，获得2014年度诺贝尔生理学或医学奖。

* *头向细胞是在许多大脑区域中发现神经元。只有当动物的头部指向特定的方向时，它们的放电率才会增加到基线水平以上。

网格细胞是在动物大脑的内嗅皮层中发现的神经元。它类似于位置细胞，当动物在给定的环境中经过一个小区域时，两者都会有强烈的放电；然而，与位置单元不同，每个网格单元将在给定环境中的多个位置放电，放电位置节点将遍布整个环境，并形成六边形网格。

* * *丰富的环境刺激是指由于复杂的周围环境而提供给大脑的物理和社会环境刺激。大脑在更丰富、更刺激的环境中，突触发生率更高，树突更复杂，导致大脑活动增加。

纳德尔说，在写书的过程中，他对海马体的发展产生了兴趣。其他脑区在出生时相对成熟，而海马区不是——不同动物的海马区成熟时间不同。他说，“我们现在有了一个关于海马体功能的理论。但是如果海马体失效了会怎么样呢？简单来说，就是失忆。”Nadel的思路使他联想到婴儿期遗忘的神经生物学解释。从本质上来说，像乔恩这样的孩子是无法储存记忆的，因为海马体还没有发育完全。

Nadel在1984发表的一篇论文中表达了这一假设。他和《* * * *》的合著者斯图尔特·左拉-摩根(Stuart Zola-Morgan)提出，只有当生物体的大脑能够学习地点时，它才能拥有情境记忆，而婴儿遗忘是在针对空间的海马体记忆系统尚未出现时发生的。

但是现在，Nadel认为在这个假说中，无论是婴儿健忘症的定义还是海马体成熟的描述都过于简单化。然而，发展本身及其与记忆的关系在过去30年中成为神经科学主题中的关键一环。大脑是天生发展空间和情境记忆系统的吗？还是这个过程需要经验的参与？

行为神经学家凯特·杰弗瑞(Kate Jeffery)在博士后期间与奥基夫一起工作，主要研究海马神经元。她说，“我认为该领域仍在试图解决这些问题，但我们还没有得到确切的答案。”不过她也解释说，目前为止的研究揭示了一个神奇的过程:首先是头部定向细胞活跃，然后是位置细胞，最后是网格细胞。因此，虽然认知地图的这些组成部分是哺乳动物大脑所固有的，但哺乳动物大脑仍然有一个获得空间知识的时期，这可能会影响海马的功能。

2010年，两个不同的研究团队揭示了这一发展过程是如何发生的。他们在断奶大鼠的大脑中放置电极，记录海马体中单个神经元在自由运动时的放电。这两个团队，一个来自挪威科技大学，另一个来自伦敦大学学院，都记录了大鼠出生后16天的数百个头部细胞、位置细胞和网格细胞。

研究人员发现，这三种细胞都是在幼鼠睁开眼睛几天后，开始离开巢穴探索环境之前出现的。但在这三种细胞中，只有头细胞完全成熟。幼鼠需要对环境进行数周的探索，然后位置细胞和网格细胞就会成熟。从这些数据中，两个团队得出结论，即使在形成认知地图的“部分”到位后，空间学习的能力也将继续提高。

神经科学家将这些发现与灵长类动物和儿童的行为相结合，探索这一过程在儿童大脑中是如何发生的。瑞士神经科学家Pierre Lavenex和Pamela Banta Lavenex提出，在大约两岁时，海马CA1区在长期记忆中负责区分物体，开始成熟，并在婴儿期与健忘症作斗争。但是，从童年到未来几年的成年，高度可塑性的齿状回仍然会发生神经发生，逐渐成熟并开始支持新记忆的形成。

在7岁之前，儿童海马体的大小与他们的情景记忆能力有很强的关系——海马体越大，他们回忆事件细节的能力越强，这是儿童期健忘完全消退的年龄。

Nadel说，“海马体不是某一天突然出现的。但是它的功能真的是慢慢实现的；正是这个网络和海马体各部分的内部联系，给了你长期的情景记忆。”

2016年夏天，来自纽约大学神经科学中心的一个研究小组在一篇文章中提到，他们发现海马体的发育很容易受到学习的影响。研究小组选取了两个阶段的幼鼠进行研究，一个是出生后17天，大致对应2岁的人类，另一个是出生后24天，大致对应6岁到10岁的人类。

通过测量海马体中分子标记的水平，他们发现了环境经历如何积极影响海马体的成熟。此外，他们还通过增加或减少这些分子的水平，控制大鼠海马体快进到记忆保留阶段或延长婴儿期的健忘症。

研究人员还认为，婴儿期的健忘症与关键期有关，关键期是环境刺激对大脑可塑性影响特别活跃的阶段。上述研究的作者之一特拉瓦利亚说，“关键期是神经系统最敏感的阶段。如果此时没有受到正确的刺激，大脑的正常发育就会受到阻碍。现在我们的假设是，人脑在关键期也需要合适的刺激。这是获得记忆的一个特别关键的发展时期。缺乏适当的刺激会导致认知和记忆缺陷。”

除了环境本身，另一个对海马体非常重要的刺激可能是自身的运动。2065438+2006年初，亚利桑那州立大学心理学教授亚瑟·格伦伯格(Arthur Glenberg)提出了一个假设:当孩子开始爬行和行走时，童年健忘开始消退。格伦伯格和《* * *》的合著者贾斯汀·海斯(Justin Hayes)提出，一旦婴儿离开成人的怀抱，开始自己在太空中探索，他们大脑中的位置细胞和网格细胞就会开始放电并对环境做出反应，婴儿探索的环境会被编码，最终形成情景记忆的框架。

格伦伯格过去20年的研究主要集中在具身认知理论上，该理论认为无论是有意识还是无意识的认知过程都离不开我们的身体，正如笛卡尔所说。我们对世界的体验和思考与我们的腿、胳膊、眼睛、耳朵、运动系统和情感系统的存在密切相关。格伦伯格说，“如果身体不影响认知能力的进化，这是不合理的。我们不是计算机，我们是生物系统。我们不是被编程的，而是进化的产物。我们应该把人类的认知看作是其他动物认知能力的延伸。”

在一次关于儿童发展的学术会议上，格伦伯格灵机一动，将其具体化，这可能会帮助他解决他在婴儿期忘记的难题，而一些非常有趣的证据恰好支持了他的假设。2007年，英国一个研究小组发现，9个月大的婴儿开始爬行与他们认知水平的巨大飞跃密切相关:他们的记忆提取能力更加灵活和成熟。研究人员还发现，运动和自我锻炼可以改善小鼠的空间学习和神经发生。

但是，似乎自己的运动开始的时间远没有孩子探索环境的程度重要；2014荷兰研究人员发现，在4岁之前，儿童时期对环境探索程度较高的儿童，其空间记忆能力和流体智力，即解决问题、总结规律和逻辑的能力更强。

然而，格伦伯格的想法并不能解释为什么儿童从生命开始到6岁需要如此长的时间才能拥有稳定的记忆能力。他提出，这可能是因为儿童需要在空间探索和复杂的认知绘图方面有足够的经验，才能像成人一样发展出功能完整的海马体记忆系统。

格伦伯格说，“一个10个月的婴儿可能知道他家附近的路，但他不可能从家走到公园。他们需要大量的行走经验，才能发展出一系列复杂且相互关联的神经元来支持记忆。”

纽科姆在一次学术会议上的发言启发了格伦伯格的假说，而前者认为虽然格伦伯格的想法只是推测，但它是在敦促科学界向正确的方向发展。对她来说，海马可塑性最吸引人的地方在于，我们对它的进一步理解很可能会指导行动受限的残疾儿童的治疗进展。如果我们在关键期给孩子提供可以辅助自己运动的装置，是否有助于他们获得认知能力？2012的一项研究表明，在使用定制的手推车进行移动训练后，患有严重运动障碍的婴儿在认知和语言测试中的得分高于对照组。在这项研究中，一名7个月大的脊柱裂婴儿的认知和语言能力提高的速度甚至超过了他这个年龄应有的水平。

与上一代相比，现在的孩子自由活动和户外运动的时间更少了。一项研究发现，在1981和1997之间，儿童的自由玩耍时间减少了25%；另一项针对西雅图学龄前儿童的研究发现，儿童一天中有70%的时间是坐着的。所以，虽然美国儿科学会推荐每天至少2小时的体育活动，但大多数孩子没有那么多时间玩。

根据我们对海马体发育、婴儿健忘症和空间认知之间关系的最新理解，除了对抗肥胖和多动症，我们还应该给孩子探索和构建认知地图的机会，因为他们的认知健康，即大脑中会不断以各种方式影响自我感知的部分，有赖于这些机会才能正常发展。大量数据表明，成瘾、创伤后应激障碍、精神分裂症和阿尔茨海默病都与海马体积减小有关。

还有一些有趣的证据表明，大脑的空间认知能力包含着智力的奥秘。《自然》杂志2065438年9月至2006年9月对5000名“数学能力非凡的年轻人”进行了长达45年的研究，发现这些人的专利数量和同行评议的期刊文章数量与他们在空间能力测试中的分数有关。这项研究的领导者之一大卫·鲁宾斯基(David Lubinski)告诉《自然》，“我认为(太空能力)可能是最未知和未开发的人类潜力。”

现在看来婴儿期和儿童期的遗忘，其实是我们的大脑在为体验式学习打基础。虽然我们记不得那些更早的经历，但它们最终把我们塑造成了真正的“人”。纽科姆说，“这是我们理解人类心智和大脑及其发展的伟大事业中的重要一环。意义重大。”

本文翻译原载于Neuroreality，知识分子获授权转载翻译。

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