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新的記憶是如何形成的?從海兔的記憶訓練中獲得的啟示——《大腦不思議》

方寸文創_96
・2023/02/21 ・2185字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 作者/汪漢澄
  • 繪者/宋明憲

針對記憶的動物實驗,在猶太裔的美國醫師暨神經科學家艾瑞克.肯德爾[註1]的手中,獲得了非凡成果。

艾瑞克.肯德爾(Eric Richard Kandel,1929‒),猶太裔美國醫師暨神經科學家,2000 年獲諾貝爾獎。圖/方寸文創出版《大腦不思議

肯德爾在童年時,因為猶太人的身分,其家庭遭到納粹警察迫害,造成他一輩子的創傷記憶。他認為自己對記憶的本質之所以會產生這麼強烈的研究興趣,正起源於在維也納這段童年的心理創傷。他尤其經常省思,為什麼像德國人這樣在音樂、藝術等各方面都非常優秀的民族,卻可以對其他民族做出如此凶殘的暴行?

尋求這個答案的強烈欲望,就驅使他走上了精神醫學與腦研究的道路長達一輩子。

尋找實驗對象

肯德爾對米爾納在 H. M. 身上的發現相當著迷,所以他早期的研究都集中在動物腦海馬迴的電位變化,並且取得了很大的成就。但是他很快就發現,海馬迴的構造太複雜,而記憶的奧祕絕對沒辦法用海馬迴中單一神經元的電位變化來解開。他認為,記憶的生成一定跟神經細胞之間的「連結」有關,而想要找到這個關係,太複雜的腦構造反而是不利的因素,所以他就把腦筋動到了神經構造特別簡單的海洋動物——海蛞蝓的身上。肯德爾採用的是比較大型的海蛞蝓,稱為海兔(Aplysia)

海蛞蝓是肯德爾的完美實驗動物,因為牠的中樞神經系統非常簡單,只有兩萬個左右的神經元,並且每一個神經元的尺寸都很大,連同它們彼此之間的連結方式,在顯微鏡下都可以看得清清楚楚。最妙的是,雖然神經系統構造簡單,海蛞蝓卻仍然可以經由訓練學習,產生新的記憶。

習慣化、敏感化與古典制約 為海蛞蝓訓練

肯德爾對海蛞蝓的訓練分成三種:

  1. 輕觸海蛞蝓的虹吸管。這個無害的刺激,一開始會讓海蛞蝓的鰓產生敏感而劇烈收縮,然而在反覆幾次刺激後,海蛞蝓「學」到了這個刺激是無害的,它的收縮反應就變得越來越小,這叫作「習慣化」(habituation)
  2. 用電極刺激海蛞蝓的尾部。這種不舒服的刺激,也會讓海蛞蝓的鰓收縮,在反覆幾次刺激後,海蛞蝓「學」到了這個刺激是有害的,它的收縮反應就變得越來越大,這叫作「敏感化」(sensitization)
  3. 同時輕觸海蛞蝓的虹吸管並且用電極刺激海蛞蝓的尾部。它的鰓當然會因此劇烈收縮,在反覆幾次刺激後,停止電極刺激尾部,只輕觸牠的虹吸管,結果這個原本無害的刺激,卻讓海蛞蝓「聯想」到了尾部的刺激,從而產生了一樣劇烈的收縮,這叫作「古典制約」(classical conditioning)——類似鼎鼎大名的巴夫洛夫[註]對狗所做的實驗發現。

新記憶的形成

海蛞蝓在受過這三種訓練之後,產生了之前並不存在的新行為,這顯示訓練確實形成新記憶。有趣的是,這種記憶生成後的持續時間,跟訓練時所受到的刺激強度與次數相關:比較低強度、少次數的刺激,只能產生數分鐘的短期記憶;而比較高強度、多次數的反覆刺激,則可以製造出長達數週的長期記憶——讓人聯想到這跟人類的短期與長期記憶的形成方式很類似。

肯德爾與其團隊對海蛞蝓學習和記憶的研究,最重要的是發現了短期記憶和長期記憶的發生地點,都是在海蛞蝓的鰓收縮反射路徑中的神經元突觸,也就是神經元與神經元之間互相接觸,藉著神經傳導物質來傳遞訊息的所在。進一步研究發現,「習慣化」的產生,是由於突觸的神經電位漸減;而「敏感化」與「古典制約」的發生,則是由於突觸的神經電位增加。至於較強和較久的刺激所形成的長期記憶,就遠不只電位變化那麼簡單。較強和較久的刺激,會影響神經元的細胞核合成新的蛋白質,導致突觸的形狀和功能發生改變,也就是所謂的「突觸可塑性」(synaptic plasticity)

為記憶研究創造基石

肯德爾的研究,首度在神經細胞與分子的層面,為神祕的記憶功能提供了生理的解釋。他從六○年代就開始進行這方面的研究,此後孜孜不倦,一直延伸到更高等的動物。他的成果成為此後腦科學家對動物甚至人類進行記憶研究的基石,也因此肯德爾在二○○○年獲得了諾貝爾獎。

二十世紀後半以至於二十一世紀初,科學家對記憶的研究就是奠基在以下兩個認知基礎上來進行:

  • 記憶的印跡是物理上的,而非「形而上」的。
  • 記憶的印跡可以在腦中看到。

結論說起來輕鬆,其實卻是花了人類幾千年的時間才終於踏上這條正確的研究道路。

註解

  1. 艾瑞克.肯德爾(Eric Richard Kandel,1929‒):猶太裔美國醫師暨神經科學家,2000 年獲諾貝爾獎。
  2. 伊凡.巴夫洛夫(Ivan Petrovich Pavlov,1849‒1936):俄羅斯帝國生理學家、心理學家、醫師,以研究古典制約知名,1904 年獲諾貝爾獎。

——本書摘自《大腦不思議》,2022 年 12 月,方寸文創出版,未經同意請勿轉載。

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記憶是陣陣花香,玫瑰令人字字難忘
胡中行_96
・2023/03/06 ・1797字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

臺灣的經典偶像劇《薰衣草》完結多年,片頭曲依然深植人心:「♪ 記憶是陣陣花香/♪ 我們說好誰都不能忘~」[1]〈花香〉的音律撩起劇情回憶,歌詞所述也真有幾分科學根據。當人將特定線索與學習的內容連結,便能在睡覺時以此線索鞏固對該內容的印象,即標的記憶再活化(targeted memory reactivation)。氣味和聲音,都曾被證實是有效的線索。[2]只是進一步探討如何運用氣味強化記憶的臨床試驗,沒分送浪漫的瓶裝薰衣草,倒是散發出玫瑰香氛的甜美氣息。

圖/Danie Franco on Unsplash

單字測驗

德國佛萊堡大學(University of Freiburg)的研究團隊,在大猩猩實驗編輯器(Gorilla Experiment Builder)這個雲端平台上,建立了線上教學課程。讓以德文為母語,且對日文一竅不通的受試者,學習日文單字。內容條列的 40 組德、日雙語對照詞彙,其涵蓋 20 組名詞,以及各 10 組的動詞與形容詞。兩種語言的每個單字,都超過兩個音節。日語方面,採用羅馬拼音,沒有平假名、片假名或漢字。測試香氛如何幫助記憶的數次期中和期末考,試題範圍皆限於此詞彙對照表[2]

分組聞香

這個研究的目的看似簡單,但是並非有鼻有腦,就能盛情參與。受試者不僅不可健忘、失眠或是嗅覺欠佳;聞香前 24 小時,還不得飲酒或使用鎮靜藥物。起先篩除條件不符的報名者,得到 195 名介於 18 至 35 歲之間的人受試。從走完整個臨床試驗的 183 人中,再扣掉某些未照規定聞香者,最後僅分析165份數據。[2]

受試者於頭3天學習、睡覺並參加期中考;結束學習階段後,在第 4、10 和 31 天,則各有 1 次期末考。此外,第 2、3 及 4 天,需額外填寫睡眠品質問卷。(如圖。)依照不同的聞香條件,他們被分為下列 4 組:[2]

  1. 無香組(N):全程呼吸一般空氣的對照組。[2]
  2. 學習暨睡眠組(LS):在花香中,背單字與睡覺。[2]
  3. 學習暨測驗組(LT):於背單字和考試時,享受花香。[2]
  4. 學習、睡眠暨測驗組(LST):背單字、睡覺及考試的三個階段,都有花香繚繞。[2]
聞香行程表:Q 指問卷;N、LS、LT 和 LST 則代表組別。圖/參考資料 2,Figure 1(CC BY 4.0)

分裝香氛

知名作家張愛玲曾寫道:「娶了紅玫瑰,久而久之,紅的變了牆上的一抹蚊子血,白的還是『床前明月光』;娶了白玫瑰,白的便是衣服上的一粒飯粘子,紅的卻是心口上的一顆硃砂痣。」[3]臨床試驗力求公平精確,也不容三心二意。就怕像談感情做選擇,惹出不必要的變因。此研究統一採用美國綠葉牌(Greenleaf)玫瑰香氛袋,從一而終,一勞永逸。[2]

莎翁說,玫瑰換了名字,依然芬芳。[4][註]同理,香氛袋改變包裝,本質依然,氣味也應該不受影響。每個受試者都領到 3 只茶包,上頭以德文寫著「學習」、「睡眠」和「測試」,代表分別使用的時段。依據各組聞香的安排差異,有些茶包填入香氛內餡,其他的則塞把碎紙充數。比方說,LS 組考試的時候不聞香,他們的「測驗」茶包,就甭想有味道。[2]

美國綠葉牌玫瑰香氛袋。圖/Greenleaf(Fair use for news report.)

增強記憶

2023 年 2 月的《科學報告》(Scientific Reports)期刊上,德國研究團隊表示,在學習、睡眠和測驗時,都沉浸於玫瑰香氛之中的 LST 組受試者,比其他幾組多記得 8.5% 的單字。也就是說,暴露於玫瑰花香 3 天 3 夜以上,的確會增強記憶。儘管目前還不曉得,繼續下去到第幾天效果會到達極限,也不清楚香氛助長的記憶能維持多久,他們認為這無疑是個經濟實惠,且適用於日常生活的學習技巧。[2]

  

備註

《羅密歐與茱麗葉》第二幕第二場的臺詞原文:「What’s in a name? That which we call a rose, by any other word would smell as sweet.」[4]

參考資料

  1. 滾石唱片 ROCK RECORDS(21 JUN 2012)「許紹洋Ambrouse Hui【花香】台視、三立偶像劇『薰衣草』片頭曲 Official Music Video」YouTube.
  2. Knötzele J, Riemann D, Frase L, et al. (2023) ‘Presenting rose odor during learning, sleep and retrieval helps to improve memory consolidation: a real-life study’. Scientific Reports, 13, 2371.
  3. 張愛玲〈紅玫瑰與白玫瑰〉白鹿書院公益圖書館(Accessed on 14 FEB 2023)
  4. Shakespeare W. ‘Romeo and Juliet, Act 2, Scene 2’. myShakespeare. (Accessed on 14 FEB 2023)
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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心智完全正常的人也可能有「幻覺」?那些關於幻覺研究的濫觴——《大腦不思議》
方寸文創_96
・2023/02/22 ・2400字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 作者/汪漢澄
  • 繪者/宋明憲

不同的人,或說不同群體的人,面對同一個不尋常的現象,經常會做出不同的解讀,解讀的方式則往往取決於個別的文化背景以及個人想像。

比方說,有人說他老是看到一些別人看不到的東西,像是有白衣女在空中飄來飄去,或別人的身上輻射出彩色光芒,在早期的社會中,這人很有可能就會被帶到廟觀裡燒香收驚,或是被認為具有「陰陽眼」的天賦,可以協助別人「跨界溝通」。

然而在另外一些文化裡,類似的事件卻能夠觸發科學家長期的想像以及研究。

兩百多年前的幻覺紀錄

十八世紀,在日內瓦共和國(今屬瑞士)有一位很傑出的博物學者兼哲學家夏勒.波內[註1]。他本身是法學博士,卻一輩子都從事熱愛的科學、哲學研究跟寫作,並且成果斐然。他創造了葉序(phyllotaxis,植物葉子的排列方式)這個植物分類系統,發現了一些昆蟲的單性生殖現象,觀察到毛毛蟲與蝴蝶是通過小氣孔來呼吸;他更是第一個在生物學中使用「演化」(evolution)這個詞,還首先提出了地球史學中的生物大滅絕理論。

夏勒.波內及其動植物研究。圖/方寸文創出版《大腦不思議

夏勒.波內在 1760 年的著作《關於心智體系的分析研究》(Essai Analytique sur les Facultés de l’Ame)中,記錄了過去沒有人描述過的特別病例,病人就是波內八十七歲的祖父。

這位老紳士身體不錯,行動如常,神智清明,但因為兩眼患有嚴重白內障,幾乎全盲。老人雖然看不見外界的任何東西,眼前卻時不時浮現一些影像,例如男人與女人、鳥、馬車、房子、掛毯、鷹架等等,非常生動。老先生說這些東西倏忽而來,倏忽而去,時遠時近,時大時小,動來動去,變幻無常,但都非常逼真,就跟眼前真的有這些東西一樣。雖然影像真假難辨,老先生卻心裡雪亮,明白那些都只是幻覺,絕不會把它們當成是真的。

夏勒.波內在書中提出自己對這一奇特症狀的高明解讀:

這一切的一切,應該都存在於與視覺有關的那一部分大腦之中。不難想像,有某種身體的因素,牽動了我們心智中某些敏感的纖維,就是我們平常看到物體時所牽動的那些纖維,以致產生了可以亂真的物體形象。但只要其他負責思考的那部分纖維沒有被牽動,我們的心智就不會搞不清這些影像的真假了。

兩百多年前,沒有醫學專業背景的夏勒.波內,首度對人的「視幻覺」這一奇特現象提出了科學解釋。

當然,視幻覺與聽幻覺這些「無中生有」的症狀,在精神病患者或是失智症老人身上是很常見的,古已有之。而人們(包括醫師)在過去也很自然地接受這類病人會看到一些不存在的東西,聽到一些不存在的聲音。畢竟病人的神智是有問題的,不是嗎?

然而夏勒.波內確知自己的祖父只有視力缺損,神智與精神狀況是完全正常的,正是這一點,讓波內這位愛智者開始思索「幻覺」的本質。可惜從那之後,波內的觀察與想法沒能受到世人的關注,被忽略了一百多年之久。

不請自來的視覺訊息

同樣居住在日內瓦,但比夏勒.波內晚了超過一個半世紀的瑞士神經兼精神科醫師喬治.德.莫西爾[註2],在視幻覺的研究方面很有建樹,診治過不少有視幻覺的病患。他十分佩服前輩老鄉夏勒.波內當初的創見,所以就在一九六七年發表的論文當中,把這種「智能與精神正常,但因眼疾導致視覺障礙的人所產生的複雜視幻覺」命名為「夏勒.波內症候群」,以茲追念前賢。

莫西爾在論文中寫道:

視幻覺絕不能單用視覺的減少來解釋,它一定是因為大腦的變化而產生。

從那時開始,這個從夏勒.波內以來一脈相承的看法,就被科學界廣泛接受了。

喪失視力的人竟可以看到生動逼真的視幻覺。圖/方寸文創出版《大腦不思議

人們一旦開始留意夏勒.波內症候群這個奇特的現象,就發現它其實並不罕見,甚至可以說相當普遍。後來的學者統計,在年長族群的視覺障礙,尤其是因為視網膜的中央凹(fovea)處的病變所導致者,有 10% 以上(甚至有人認為高達 40%)會出現視幻覺。視網膜的中央凹負責視野的中心區,也就是看得最清晰、對我們的視力最重要的部分。此處的病變會讓患者的中央視野看不見,但位於視野周邊的景物則相對看得比較清楚。

視網膜病變好發於上了年紀的人,其中又有不低的比例會產生夏勒.波內症候群,可想而知,各行各業的人都有機會得到這毛病,醫師與學者也不例外。

澳洲的傑出神經生理學家波克[註3],自己就得了視網膜病變引起的夏勒.波內症候群,他以他的第一手經驗,詳細記錄自己的病程以及視幻覺的內容,還把它們描繪出來,並提出對這種幻覺的理論,寫成很有分量的論文,於 2002 年發表。波克認為夏勒.波內症候群的產生,是來自於腦部視覺相關皮質的「傳入阻滯」(deafferentation)——意思就是說,正常應該由視網膜經過視神經而傳到大腦的視覺訊號,現在因眼睛生病沒傳進來,那麼本來時時刻刻都等著接收這些電訊號的視覺相關皮質,就會感到十分空虛而作怪起來。它的神經細胞興奮度提高,無中生有,自發性發出視覺訊號,讓患者以為自己看到了東西。

註解

  1. 夏勒.波內(Charles Bonnet,1720‒1793):日內瓦博物學家,首將演化概念納入生物學範疇。
  2. 喬治.德.莫西爾(Georges de Morsier,1894‒1982):瑞士神經兼精神科醫師,以研究視幻覺而知名。
  3. 大衛.波克(David Burke):澳洲神經生理學家。

——本書摘自《大腦不思議》,2022 年 12 月,方寸文創出版,未經同意請勿轉載。

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揭開大腦「額葉」的神秘面紗,一場名留史冊的工安意外——《大腦不思議》
方寸文創_96
・2023/02/20 ・1855字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 作者/汪漢澄
  • 繪者/宋明憲

一八四八年九月十三日早晨,當二十五歲的爆破工人菲尼亞斯.蓋吉[註1]步出家門準備上工的時候,他絕對沒有想到自己即將成為神經科學史上不朽的名字。如果事先知道,他一定會馬上躺回床上睡大覺,拒絕這個殊榮。

然而,命運的安排通常不理會個人的意願。

一切都從一支不長眼的「鐵條」開始

當天下午四點多,築建鐵路的工地上準備要爆破一塊岩石,當時蓋吉先生正轉頭跟同伴說話,臉遙遙對著那個爆破孔,突然間火藥意外點燃,原本插在岩石爆破孔中那根直徑三公分,長度一公尺餘,重達六公斤的鐵條受到爆炸力推擠,像飛彈一樣,射向菲尼亞斯.蓋吉的左臉。

鐵條直穿過他的左臉頰,進入左眼後方,繼續穿透大腦,接著射穿左前額處的顱骨,餘勢不衰,帶著蓋吉的血漿以及腦漿,噴射到二十多公尺遠處才著地。

當時誰都不知道,這起嚴重的工安意外真正離奇的地方才要開始。

鐵條穿過菲尼亞斯.蓋吉顱骨的想像圖。圖/方寸文創出版《大腦不思議

菲尼亞斯.蓋吉沒有死!他在短暫抽搐之後,恢復了知覺,被同伴攙扶著走上牛車,一路坐著到達了醫生那兒,把那位名為約翰.哈洛[註2]的鄉村醫生嚇得不輕。

哈洛醫生親眼看到蓋吉頭顱上那個大洞溢出血塊與腦漿,只能當場幫他做了一些緊急處理。在其後幾週,蓋吉因為腦部的感染併發症,在鬼門關出入了好幾遭,最後居然奇蹟似地康復。

逃出鬼門關後

蓋吉之後又活了十二年,一直到了一八六○年,因為嚴重的癲癇重積[註3]發作而死,那當然也是腦傷的後遺症之一。在這十二年生命當中,蓋吉成為名人,他經常以奇蹟生還者的身分四處露臉,迎合觀眾的好奇心,以賺取一點微薄的收入。不過當時人們對他的獵奇心態,遠超過醫學研究的興趣,加上還沒有儀器設備可以看到腦的內部,以至於我們到今天為止,都還只能間接推測蓋吉腦部的實際受傷情況。

不過有一點可以確定,蓋吉在腦部受傷之後,雖然仍能正常行走、交談,甚至可以做些簡單的工作,但是他的「個性」卻發生了很大的改變。

根據零星的記載,受傷之前的蓋吉是彬彬有禮、尊重別人並且相當精明的人;受傷之後,他卻失去了對金錢的概念,變得粗魯無禮,經常公然發怒,時不時罵幾句髒話。他後來之所以會無法維持正常的工作,而必須靠著四處展示自己的生存奇蹟來謀生,也正是為此。長期治療並觀察蓋吉的哈洛醫生說:「他的理性與動物性之間的平衡似乎壞掉了。」蓋吉的朋友則說得更精準,他們說:「蓋吉不再是蓋吉了。」

蓋吉死後,他的大腦並沒有被保留下來,但是他那顆有個大洞的頭顱骨,以及當初肇事的鐵條,都一起被保存在哈佛醫學院的解剖學博物館長期展示。

原來是「額葉」

到了二十世紀末、二十一世紀初,由於神經影像學技術的發達,有好幾位神經學家以及神經影像專家,利用電腦模型重建當初那根鐵條穿過蓋吉腦部的行進軌跡,結果證明蓋吉腦部受傷的部位是在「額葉」。

蓋吉那時代的醫療與現代相比,當然天差地遠。今天的醫生,如果像哈洛醫生一樣遇到蓋吉這樣的病人,對腦損傷位置以及臨床表現就都會了然於心。

註解

  1. 菲尼亞斯.蓋吉(Phineas Gage,1823‒1860):美國鐵路工頭,因遭受事故意外成為探討大腦機能的重要研究對象。
  2. 約翰.哈洛(John Harlow,1819‒1907):美國醫師,因診治並記錄菲尼亞斯.蓋吉的腦損傷而知名。
  3. 癲癇重積:指癲癇持續發作超過五分鐘,或是五分鐘內癲癇發作超過一次,且在每次發作之間病患沒有恢復正常狀態。

——本書摘自《大腦不思議》,2022 年 12 月,方寸文創出版,未經同意請勿轉載。

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