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不用什麼都會,你也可以舉一反三?大腦到底是怎麼做到的?

Chit Ying Lau
・2021/01/02 ・2186字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如何在辦公室裡種多肉植物?以下是你不可不知的三個種植步驟:

  1. 搜一下種植須知
  2. 把植物挪到窗邊,曬曬太陽
  3. 定期澆花,檢查底盤積水

看起來很有道理對不對?但其實筆者根~本~就沒有種過多肉植物!這些只是小時候「種綠豆的經驗中」學習到的,嘿嘿嘿。

生活中的許多技能與知識,都是透過經驗學習成長的。圖/Pexels

俗話說:「經一事,長一智」,當我們在學習待人接物、新的工作技能時,往往都會汲取很多很多的經驗,接下來,我們的大腦會把這些日常經驗抽象化、歸納並找出規律,藉此將經驗化為知識,並將知識應用在新的事件上。

比如說,小時候種綠豆的經驗會被抽象化成 3 個小事件(上面的種植步驟),即使我們從沒種過多肉植物,也不清楚多肉植物對水份、陽光的需求,但我們仍懂得舉一反三,把種綠豆時習得的基本種植步驟應用在多肉植物上。

然而,大腦究竟是如何記住這些「小事件」(種植綠豆的步驟)之間的關係,並應用到類似的新事件(種植多肉植物)呢?

腦袋裡的計數器: ESR 細胞

為了解答這個問題,曾經獲得諾貝爾獎的利根川進(Susumu Tonegawa)與他領導的團隊設計了一個方形迷宮,在小鼠的迷宮實驗中,小鼠需要通過 4 次迷宮才可以獲得食物的獎勵。

首先,經過 8 天的訓練後,研究團隊發現,小鼠會在跑第 4 圈的時候加速

也就是說,牠們已經從之前的訓練經驗中得知,自己會在第 4 圈後出現食物的獎勵 1

不過,小鼠到底是怎麼追蹤自己跑了多少圈呢?

由於海馬體與感知、空間、時間有關,目前科學家已經知道,當海馬體 CA1 區域被激活時,海馬體 CA1 區域就能利用其他區域的感官資訊,來幫助小鼠鞏固空間記憶。

因此研究團隊使用病毒感染海馬體 CA1 區域的神經細胞,而這個病毒身上載有對「鈣離子」相當敏感的螢光蛋白。

一旦這個區域的神經細胞被激活,鈣離子就會增加,從而增強蛋白的螢光強度,因此科學家就可以透過亮起來的螢光蛋白,測量出這裡的神經細胞有沒有被激活。

ESR 細胞在整個跑圈過程中都展示出活性,但會在特定的圈數表現得更活躍。
圖/Chit Ying Lau、Freepik

值得留意的是,這些神經元會在特定的圈數變得更加活躍,表示它們會「分工合作」,各自記錄不同圈數(事件),因此被統稱為 Event-specific rate remapping cells(簡稱為 ESR 細胞)。

這些「圈數」就如種植的步驟一樣,被視為一個又一個獨立的小事件(Event)。

果然,團隊發現區域有大概 17% 的神經元在小鼠跑圈圈的時候被激活,它們激活的比例更在訓練後增至 29% ,可見其活性是學習而來的。

ESR 細胞:跑跑跑,向前跑,經過小巷和大道

然而,這些 ESR 細胞到底是如何儲存資訊的呢?它們是透過「走了多遠」、「走了多久」來記住嗎?還是直接把每一圈當作一個事件呢?

為了解 ESR 細胞的活動機制,團隊把迷宮擴大、複雜化,隨機指定老鼠每一圈要走的路程,而小鼠仍會在走完第 4 圈後得到獎勵。

驚人的是——即使每圈小鼠要走的路程都不一樣, ESR 細胞的活動並沒有受影響!由此看來, ESR 細胞的確將不同圈數當作獨立的小事件,亦不會受距離變化影響。

ESR 細胞將不同圈數視為獨立事件,不受距離影響。圖/Pexels

然而,當研究員改變獎勵出現的頻率,ESR 細胞的活動也隨即出現神奇的變化。

  • 如果小鼠跑完每個圈後都會得到獎勵,大部份 ESR 細胞的活動都會消失
  • 如果小鼠要多跑一個圈(lap 5)才得到獎勵,原本的 lap 4 細胞會在第 5 圈變得更活躍。

顯然,這些ESR細胞並不純粹追蹤「圈數」,而是儲存了「圈數之間的關係」。

別再說是新一哥哥教的!ESR 才是大功臣

在現實人生中,生活總是千變萬化的,就算今天學會了如何種綠豆、種多肉植物,但明天可能需要學會種仙人掌、水生植物。

由此可知,如果一組 ESR 細胞只能儲存特定經驗,那要應付日常的小轉變都很費勁了。

於是,團隊讓小鼠在方形迷宮訓練了一天後,在翌日把迷宮換成了「圓形」。

結果顯示,有高達 38% 的 ESR 細胞在圓形迷宮內仍然保持他們追蹤特定圈數的能力,表示小鼠可以把從方形迷宮學習到的知識應用到圓形迷宮上。

總而言之,ESR 細胞相當穩健,即使換了迷宮的形狀、路程,也不會影響它的活動。透過 ESR 細胞,大腦可以追蹤事件與事件之間的關係,且不易受外在環境改變,奠定了知識轉移的基礎。

不過,現實生活中要追蹤的事情可比這些實驗複雜得多了。ESR的記憶可以保存多久?知識轉移的機制是甚麼?ESR細胞會和海馬體其他細胞相互合作嗎?這些問題仍有待解答。

參考資料

  1. Sun, C., Yang, W., Martin, J. et al. Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663 (2020).

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