学习和记忆：应对复杂多变世界的唯一方式

Posted 2022-12-13 turingbooks

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了学习和记忆：应对复杂多变世界的唯一方式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在今天的世界上，人体的生物学演化速度根本无法赶上技术和信息积累的速度，但是我们至今仍然没有掉队。学习和记忆，就是我们最有力的武器。

——王立铭

感觉系统的出现让地球生命第一次“睁眼看世界”。从此，地球生命才真正拥有了和地球环境交流互动的本钱。

但是新的问题又来了：地球环境从来不是一成不变的。就算暂且抛开演化尺度上的沧海桑田、人间巨变，只关注任何一个地球生命体的短暂一生，变化仍然无处不在。

昨天空荡荡的草地上突然掉下了一颗熟透的苹果，飞虫嗡嗡地吵嚷着扑过去大快朵颐，而苹果连同小飞虫都成了不远处一只站在树梢上的乌鸦的美餐。非洲草原上一只巨象轰然倒地，在炎热的阳光下，尸体很快开始腐烂发臭，从它身体的无数缝隙里流出暗绿色的黏稠液体，无数看不见的微小细菌在液体里贪婪地吞咽和生长。月明星稀的深夜，一只饿急了的田鼠爬出洞穴，迫不及待地奔向前方散落的几枚橡果，但是在下一瞬间它又悻悻地掉头返回，因为它感觉到头顶传来了伯劳尖锐的叫声。

而在更大的时空尺度上，偌大的地球忠实地围绕太阳一路狂奔，周而复始，在这条 9.4 亿千米长的征途上，每过 86 400 秒，太阳会再次高挂天顶照亮大地。就这样，地球有了四季变迁，有了风霜雨雪，有了白天黑夜，也有了永远的生机勃勃，变化万千。

地球生命如何应对这永恒的变化？

刺激-反射：一个极简主义者的大脑

一个简单的思路是“随机应变”，或者我们可以叫它刺激 - 反射。

这种应对模式有点像计算机程序语言里的 if then else 语句（见图 7-1）。通过预先设置一个简单的逻辑，就可以事先在生命体内部规定好所有的反射程式：对于小飞虫来说，如果（if）前方出现了强烈的腐败水果气味，那就（then）径直飞过去寻找食物，否则（else）就原地待着不动。对于大象体内的细菌来说，如果（if）环境中有机物的含量猛增，那就（then）启动蛋白质合成和分裂繁殖程序，否则（else）就蛰伏起来不吃不动。对于夜晚觅食的田鼠来说，如果（if）看到了橡果，那就（then）出洞搬运……这套程序简单粗暴，在生物学上实现起来也相对容易。原则上只需要一个特定的感觉神经细胞用来接收环境刺激，连接上一个特定运动神经细胞用来控制肌肉的舒张和收缩，就可以实现刺激 - 反射模式的随机应变。

图 7-1　计算机科学中的 if then else 模式

在海兔的身体里，人们就找到了这样非常简单的刺激 - 反射模式。海兔是一类巨大的深海蜗牛（见图 7-2），生活在大洋底部，本身和兔子毫无血缘关系。但是它长了一对大大的触角，样子很像兔子的长耳朵，所以才得到这么一个有趣的名字。和其他软体动物一样，海兔利用鳃呼吸。它的纤毛能够驱赶水流进入身体内的水管，随后不停地流过腮部，海兔就能借此获得氧气。可想而知，把自己的腮保护好，对海兔来说是健康和生存的头等大事。如果海兔的皮肤突然遭到来自洋流或者天敌的冲击，它就会迅速把鳃紧紧地包裹起来。

图 7-2　海兔

从逻辑上推演一下的话，海兔这种防御性的反应最少需要两个细胞参与：探测机械刺激的感觉神经细胞和控制鳃收缩的运动神经细胞。二者彼此相连，前者能够向后者传输电信号和化学信号。一个简单的工作模式就是：如果（if）感觉神经细胞被刺激和激活，那么（then）通过两者之间的连接，运动神经细胞也会被激活，从而产生鳃收缩的反射。

兵来将挡，水来土掩，简单的刺激 - 反射模式可以很完美地应对地球环境的变化。而且这种模式有一个很大的好处，就是可以事先准备好预案，不至于临时抱佛脚。昆虫羽化后就会飞行、逃跑、取食和求偶；哺乳动物的幼崽一出生就会吮吸奶头，感觉到饿了或者冷了就会哇哇大哭。这一切都不需要学习，动物身体内携带的遗传物质，会在动物出生前就准备好所需要的神经细胞和彼此间的连接模式。

在我们每个人的身体里，简单的刺激 - 反射模式也随处可见：风沙吹过来，我们会自动闭眼；小锤敲击膝盖，小腿会自动抬起（见图 7-3）；光照亮眼睛，瞳孔会自动收缩。其实靠的都是这种反应模式。实际上，今天很多低端机器人的运行模式也不外乎于此。如果你家有扫地机器人，不妨观摩一下它如果碰到桌角是怎么反应的。

图 7-3　膝跳反射。用小锤轻轻敲击膝盖下方，小腿就会自动向前踢。这个反射和海兔的缩腮反射一样，也只需要两个神经细胞的参与

但是这个模式有两个非常底层的局限。

一个局限是盲目性。在这种模式中，再多次的重复也无法变成能够积累的经验。哪怕每次遇到一模一样的刺激，生物体也都只能机械重复一模一样的反应。换句话说，反射错了，它做不到吃一堑长一智；反射对了，它也不会总结成功经验。对这只动物来说，整个客观世界永远是一个无法被认知、熟悉和理解的黑箱。

另一个局限是有限性。依靠遗传信息能储存的模式总归是有限的，而且如果一个刺激 - 反射模式在现实生活中没有用处，演化会很快将它淘汰掉。此外，只会刺激 - 反射的动物不可能从无到有地发明和掌握文字，一个只知道刺激 - 反射的扫地机器人也不可能自己学会拖地和清理餐桌。

仅凭日常经验，我们就知道这种模式无法解释我们人类的生活。

我们会“习惯”：再芬芳、再恶臭的东西，闻久了我们也会麻木，会觉得无所谓。我们会“联系”（哪怕很多时候这种联系显得非常不理性）：昨天穿了件红色披风，出门遇到了意外，以后这件衣服大概要永远被束之高阁；昨天用剪刀的时候不小心戳了手，可能好几天看到剪刀都会心有余悸。我们还会读书识字，会演算方程，能在想象里编织一个根本不存在的世界。这一切能力，用刺激 - 反射模式都无法解释。对于复杂智慧生命来说，学习是生存发展的必需技能。

那么，学习到底是什么？

这个看起来查查字典就能解决的问题，事实上是个经过巧妙伪装的逻辑陷阱。尽管人们在哲学层面对何谓学习已经提出过（可能是太多种）解释，但是这些讨论始终在问题的外围打转。在生物学上，真正的核心问题在于，人类学习的本领到底是从何而来的？在学习的过程中，我们的身体（特别是我们的大脑）到底发生了什么？它体现为一种可描述的物质变化，还是一种纯粹精神性、灵魂层面的变化？它是人类独有的能力，还是所有地球生物或者至少地球动物都具备的？如果别的动物也具备，那么我们该用什么办法去证明它、描述它（毕竟动物无法直接告诉我们它们的经历和感受）？

这些问题其实彼此紧密相连。如果学习能力不可客观描述，或者只有人类具备，那这种能力将在很大程度上成为不可触碰、无法了解的永恒秘密。原因很简单，我们没法在活人身上动刀子做实验，提取分离纯化出一种叫作“学习”的物质来。而学习能力的生长发育、学习能力的演化和学习能力本身，其实也可能说的是同一件事——它们背后，一定有某种体现“经验”的东西发生了变化。找到这种变化，就能解释学习，也能解释学习能力的由来。

单身派对定律

在 20 世纪初，两条看似毫不相关的线索彼此独立地浮现，把人类引向了探究学习问题的正确道路。

第一条线索来自寒冷的俄罗斯，来自冰天雪地的圣彼得堡，一位留着俄罗斯传统大胡子的中年男人，伊万 • 巴甫洛夫（Ivan Pavlov）。

巴甫洛夫的研究领域原本是消化系统——从胃液的分泌到胰腺的功能，但是一个偶然的发现把他引上了完全不同的研究方向。为了研究消化系统的功能，巴甫洛夫设计了一套精密的记录系统来研究狗的唾液分泌是怎么调节的。毫无疑问，唾液分泌的调节也是消化系统的重要问题。他分析发现，当饲养员把装满狗粮的盆子端给小狗的时候，狗的唾液就会开始大量分泌。当然，这个现象本身倒是毫不稀奇。从日常经验出发我们也知道，食物的香气足以让我们食指大动、口水横流。

但是巴甫洛夫随后发现了一个奇怪的现象。当饲养员端着盆子、刚刚打开实验室的门的时候，狗的唾液就已经开始大量分泌了。这时候按说狗根本还看不见饲养员，看不见盆子，也闻不到狗粮的味道呢。巴甫洛夫甚至发现，就算找个毫不相关的陌生人，就仅仅开一下门，开门的声响就足够让狗流口水了！

有了开头处的思维铺垫，我们很容易意识到，发生在狗身上的现象本质上就是一种学习。这条狗一定是通过许多天的观察，总结出开门声和饲养员、食物盆子以及美味狗粮的出现存在某种神秘但相当顽固的联系。因此对于它来说，听到开门声，就会自动启动一系列与吃饭相关的程序，包括流口水。

虽然没有我们已经具备的背景知识，但是，天才的巴甫洛夫产生的想法几乎一模一样。他借用这个偶然发现，设计了一整套精巧的实验（见图 7-4），并最终证明了动物也存在可靠的学习能力，而且更重要的是，这种能力的确能够被精密地记录和研究。他发现，如果单纯对着小狗摇铃铛，狗是不会分泌唾液的。但是如果每次端狗粮来的时候都摇铃铛，或者在要喂狗粮前先摇铃作为提醒，那么只需要几次练习，小狗就能学到铃铛声和美味饭菜之间的联系。证据就是，仅仅摇几下铃铛，小狗的口水就会四处横流！

图 7-4　巴甫洛夫实验

就这样，“巴甫洛夫的狗”从此就成了一个专有名词进入了人类科学的殿堂。这个非常简单但精确有力的实验，第一次把原本属于哲学讨论范畴的人类学习，还原到了可以观察描述、深入解剖的动物行为层次。巴甫洛夫的狗流着口水告诉我们，只要我们能找到在几次训练前后它身体里到底发生了什么变化，我们就能揭示学习的秘密。

可到底是什么变化呢？

第二条线索在最合适的时间浮现了出来。

差不多在巴甫洛夫在冰天雪地里折腾小狗的同时，在四季如春的西班牙，一位和巴甫洛夫年龄相仿、性格也类似的科学家——圣地亚哥 • 拉蒙 - 卡哈尔——已经第一时间提示了答案。

你可能还记得，卡哈尓的研究看起来和巴甫洛夫的风马牛不相及。巴甫洛夫的研究对象是活生生的大狗，而卡哈尔终日对着的是显微镜下细若游丝的神经纤维。通过观察和绘制成百上千的显微图片（如今许多图片仍然在生物学教科书、演讲和科普作品里被重复展示），卡哈尔意识到，动物和人类的大脑一样，层层叠叠堆砌着数以百亿计的细小神经细胞。这些神经细胞和人们惯常看到的细胞不太一样，往往不是浑圆规整的形状，而是从圆圆的细胞体那里伸出不规则的突起，有的层层伸展如树杈，有的长长延伸像章鱼的触手（见图 7-5）。

图 7-5　卡哈尔绘制的人脑海马体区域的神经细胞图（字母标识了一个个神经细胞，特别要注意它们长长的树杈和触手）

在卡哈尔看来，这些长相怪异的神经细胞正是靠这些突起彼此联系在一起的，形成了一张异常复杂的三维信号网络。在人脑千亿数量级的神经细胞中，任何一个神经细胞产生的电信号，都可能被上万个与之相连的神经细胞识别；反过来，任何一个神经细胞的活动，也可能受到上万个与之相连的神经细胞的影响。你可以想象这样的情景：挥动魔杖随意点亮人脑中一个神经细胞，在它的闪烁中，电信号荡起的微弱涟漪将迅速传遍整个大脑，此起彼伏的星光如烟花绽放般闪耀。而这可能就是人类智慧的物质本源。

但是卡哈尔的研究和巴甫洛夫有何关系呢？

一头是饥饿的小狗吐着舌头口水横流，另一头是纤细的神经纤维编织出的网络。这看起来风马牛不相及的两种研究，又能建立怎样的联系呢？

在几十年后，加拿大心理学家、麦吉尔大学教授唐纳德 • 赫布（Donald Olding Hebb）在他的巨著《行为的组织》中天才般地发现了两者之间的神秘联系，提出了著名的“赫布定律”。赫布指出，巴甫洛夫在动物身上观察到的学习行为，完全可以用卡哈尔发现的微观神经网络加以解释（见图 7-6）。

图 7-6　用赫布定律解释巴甫洛夫的实验结果

巴甫洛夫的小狗所学习的，是在两种原本毫不相关的事物（铃声和食物）之间建立联系。在反复练习之后，它们最终会掌握并记住铃声会带来食物。那我们完全可以想象，这种联系其实就存在于两个神经细胞之间。

比如，假设小狗的大脑里原本有两个并无联系的细胞——我们姑且叫它们“铃声”细胞和“口水”细胞吧。当铃声响起，“铃声”细胞就能感觉到并被激发；当食物出现，“口水”细胞就会开始活动，并且让唾液开始分泌。但是前者并不会引起后者的活动。

在巴甫洛夫的实验中，小狗每次都会在听到铃声的同时吃到食物。别忘了，食物的存在是可以直接激活“口水”细胞的。也就是说，“铃声”细胞和“口水”细胞这两个原本无关的细胞被强行安排在同时开始活动。在赫布看来，正是因为这种强行安排的同步活动，让两者之间的物理连接从无到有，从弱到强。这个过程其实就是学习。它有点像很多单位组织的单身派对。单身的男生女生被“强行”安排在一起玩游戏、搞活动、表演节目，一来二去，再陌生的人之间也会开始熟络起来。

就这样，赫布的思想把巴甫洛夫和卡哈尔的研究联系在了一起。在卡哈尔看来，就是经过反复训练，“铃声”细胞和“口水”细胞之间的连接将会达到这样的强度：只需要刺激“铃声”细胞的活动，“口水”细胞就会被激活。而在正在忙活做实验的巴甫洛夫看来，到这一时刻，单独给铃声就足够让小狗口水横流，小狗的学习取得了圆满的成功！

20纳米

赫布的这一理论被稍显简单粗暴地总结为“在一起活动的神经细胞将会被连接在一起”（Cells that fire together, wire together.），并以“赫布定律”之名（也许“单身派对定律”是个更合适的名字）流传后世。他的思想为人们寻找学习的物质基础提供了最直接的指引：如果他是对的，那人们应该能在学习过程中，直接观察到神经细胞之间的连接强度变化；或者反过来，人们操纵神经细胞之间的连接强度，就应该能够模拟或者破坏学习。

说起来也有趣。尽管早在 20 世纪之初，卡哈尔就已经准确预测了神经细胞之间存在数量庞大的彼此连接。但是这种连接直到 20 世纪中期才第一次露出庐山真面目。原因无他，这种连接实在是太微小了。不同神经细胞的突起会向着彼此无限逼近，但却在最后大约 20 纳米的距离上恰到好处地停下，并且形成一个被称为“突触”的连接（见图 7-7）。这个 20 纳米的间距保证了前一个神经细胞产生的电信号或者化学信号可以迅速且不失真地被后面的神经细胞捕捉到，同时也保证了两个神经细胞相互独立，彼此的细胞膜不会错误地融合在一起。

图 7-7　突触的想象图。突触是神经细胞信息交流的场所，两个神经细胞的突起在此相遇，形成了间隔 20 纳米左右的接触界面

你可能已经意识到了，按照赫布的理论，学习实际上就发生在一个个突触之间，发生在这 20 纳米的距离之上。学习意味着突触的生长和消失，意味着在这 20 纳米之间，信号传递的效率增强或者减弱。在这 20 纳米的距离上，任何微小的变化都可能和学习有关。

现在让我们再回头看看海兔。我们说过，海兔的缩鳃反应利用简单的刺激 - 反射模式就可以解释。但是在 20 世纪六七十年代，在美国纽约工作的神经生物学家埃里克 • 肯德尔（Eric Kandel）发现，这个简单的防御性动作同样含有学习的成分。比如说，如果在轻轻触碰海兔皮肤的同时，用电流强烈刺激海兔的头或者尾巴，那么在几次重复之后，原本无害的轻轻触碰，也会引起海兔剧烈的缩鳃反射。也就是说，和巴甫洛夫的狗类似，可怜的海兔学会了把轻轻触碰和电流打击联系在一起，对前者的反应变得剧烈了许多。肯德尔他们还发现，伴随着学习过程，海兔体内发生了一些微妙的生物化学变化。一种叫作环腺苷酸（cyclic adnosine monophosphate，cAMP）的化学物质会突然增多，而在此之后，一系列蛋白质的生产、运输和活动都会受影响。

别忘了，海兔的缩鳃反射是一个非常简单的过程，只需要区区两个神经细胞就可以解释——一个感受皮肤触碰的感觉神经细胞和一个控制肌肉运动的运动神经细胞。那么肯德尔他们的发现自然而然就说明，这两个细胞之间的连接，在学习过程中会被增强，而这种增强背后的原因，可能正是上述这些微妙的生物化学变化。

而这个猜测也被来自美国另一端的科学研究所支持。美国加州理工学院的科学家西莫 • 本泽尔（Seymour Benzer）在研究一种名为果蝇的小昆虫时发现，如果果蝇脑袋里制造环腺苷酸的能力受到破坏，那果蝇的学习能力将遭受毁灭性的打击。这样一来，不光肯德尔的想法得到了强有力的支持，人们还意识到，既然海兔和果蝇这两种存在天差地别的动物居然共享同样的学习分子，那么很可能学习的生物学基础是放之四海而皆准、在不同生物体内都畅通无阻的普遍规律。

方寸之间，神妙难明。在过去的数十年里，从海兔和果蝇出发，人们开始逐步明了，在突触之间的微小距离上，学习究竟是怎样实现的（见图 7-8）。在今天神经科学的视野里，这区区 20 纳米尺度下的突触几乎就是一个小世界。每一次神经细胞的活动，都可能改变这个小世界的整个面貌。细胞膜上的孔道开了又关，带电的离子蜂拥着进入或者逃离神经细胞；微弱的电流闪电般地从神经纤维的一端流向另一端，时而汇聚成大河，时而分散成小溪；代表着兴奋或者沉默的化学物质被包裹在小小的口袋里，又一股脑地从神经细胞中抛洒而出，如果足够幸运，它们可能会在消失前找到相隔 20 纳米的另一个细胞，欢快地依靠上去，顺便也把兴奋或者沉默的信息传递过去；在细胞内部，全新的蛋白质被合成，陈旧的蛋白质被拆解，伴随着细胞骨架的拆拆装装，突触的形状也如呼吸般伸伸缩缩……

图 7-8　突触和学习。发生在突触界面的微小变化是学习的本质。这种变化可能是数量和大小的变化，也可能是每一个突触内部信号传递效率的变化，如信号发出端释放了更多的信号（图中的黄色点），也可以是信号接收端的灵敏度提高（图中的绿色孔道）

伴随着每一次成功的学习，在这方寸之间，新突触在诞生，旧突触在消亡，突触本身在变大和变小，信号发出端的功率和信号接收端的灵敏度也在发生变化。所有这些都可能会影响神经细胞之间的信号传递，也都可能被学习过程所影响。而所有这一切的总和，可能也就代表了学习的结果：经验和记忆。

聪明老鼠

一个自然而然的推论是，当我们理解了学习过程中发生的一切后，我们就可以回过头来，让学习变得更容易更快，甚至可以在大脑中创造出从未发生过的学习场景。科幻作品中脑袋里插片芯片就可以无所不知的桥段也许真的可以变成现实。

当然，今天的我们距离理解“学习过程中发生的一切”还有遥远的距离，但是我们确实已经开始了解其中几个特别关键的角色，甚至开始对这几个关键角色动手动脚了。

例如，我们说过，赫布定律的核心关键是不同的神经细胞“一起活动”。不管是巴甫洛夫的铃铛声和狗粮盆儿，还是突触前后的“铃声”细胞和“食物”细胞，这两件事必须差不多同时出现，学习才会发生。因此可想而知，我们的大脑里必须有一个东西能够准确地识别出“一起活动”这件事才可以。我们可以想象，在两个神经细胞之间 20 纳米的狭窄空间里，站着一个一丝不苟的裁判。他左右手各拿了一个秒表，左右眼分别盯着两个神经细胞。每次看到神经细胞开始活动，他会第一时间掐表，而只有当他发现两只表记录的时间相差无几，他才会大声宣布赫布定律开始生效，学习过程开始。

20 世纪 80 年代前后，这个裁判的真容开始浮现。人们发现有一个总是站在神经细胞膜上的蛋白质，它有一个非常难记的名字叫 N- 甲基 -D- 天冬氨酸受体或者 NMDA 受体，我们干脆就叫它“裁判”蛋白好了。“裁判”蛋白有一个令人着迷的属性：当它苏醒的时候，能够启动一系列生物化学变化，最终让突触变大变强，让两个神经细胞之间的连接更紧密；而它的唤醒却很困难，需要突触前后的两个神经细胞差不多同时开始活动，轮番呼唤，“裁判”蛋白才会开始工作。它的开工时间表完美契合了人们对裁判这个角色的期望。

那么是不是有可能，如果让这种“裁判”蛋白更多一点，眼神更犀利一点，掐秒表的动作更快一点，人类学习的本事就会更强一点呢？

在 20 世纪 90 年代，还真的有人这么做了。普林斯顿大学的华人科学家钱卓利用基因工程学的技术，让小老鼠的大脑（或者更准确地说，是一个名为“海马体”的大脑区域，见图 7-9）无法生产“裁判”蛋白。结果，这样的小老鼠就失去了学习能力，由此我们知道，“裁判”蛋白对于学习确实不可或缺。

图 7-9　人类大脑中的海马体。在 20 世纪中期之后，人们逐渐意识到海马体是产生学习和记忆的核心

更精彩的其实还在后面。利用同样的手段，钱卓还在小鼠的海马体中生产了超量的“裁判”蛋白。这些小鼠初看起来和它们的正常同伴毫无区别，但是如果把它们扔进浑浊的水池中，它们会比同伴更快地意识到水池的中央有一个足以歇脚喘气的“暗礁”，也能更快地记住这个暗礁的具体方位。如果把它们扔进一间昏暗的小房间，刺耳的铃声伴随着从脚底传来的电击刺痛，这些小老鼠也会更快地意识到铃声和刺痛之间的关联，每次听到铃声都会吓得一动不动。

“聪明老鼠”——这是从来不嫌事大的媒体给这些老鼠起的名字。这种登上过无数报纸和杂志封面的小家伙，生动无比地证明了“裁判”蛋白在学习过程中的意义。从巴甫洛夫和卡哈尔开始的对学习本质探究的两条道路，到这里终于汇聚在一起。在神经细胞之间 20 纳米的微小空间里制造一种蛋白质，就可以操控整个动物的学习能力！

假如记忆可以移植

事情还没完。

1999 年，中国的高考语文科目中，出现了《假如记忆可以移植》的作文题目。在以刻画生活经历、人生感悟、时事政治为主流的语文作文界，这个题目掀起了一场不小的波澜。它甚至还救活了一家质量很高却总是发愁销量的科幻杂志——《科幻世界》。后来，在引起轰动的系列电影《黑客帝国》的设定中，人类从出生到死亡的所有生活经验、回忆和喜怒哀乐，都是计算机强行植入的。

今天看来，这个也许是临时拍脑袋想出来的“冷门题”，其实具有长久的话题性。人类社会制造的信息在呈指数增长，如今的每一天，人类世界生产出的数据都超过了古代社会上千年的总和。信息的生产、存储和流动固然已经是让人挠头的技术问题，但是更要命的问题其实是，人类大脑该怎么适应这个数据爆炸的时代？要知道，我们大脑的容量和形态在过去几十万年里都没有发生过显著变化。按照这个逻辑，信息生产和人脑功能之间的距离只会越来越大，想出办法来人工植入记忆，可能是一劳永逸的解决方案。

更关键的是，这个想法还真的不见得就只能停留在科幻小说和科幻电影的范畴里。

我们再次回忆一下赫布定律和聪明老鼠的研究。赫布定律其实是在告诉我们，学习过程的本质就是两个相连的神经细胞差不多同时开始活动，因此它们之间的连接会变得更加紧密，从而让我们在两个本来无关的事物之间建立了联系。换句话说，如果我们能够强制性地让两个神经细胞同时开始活动，我们就能无中生有地模拟学习过程。不需要真实的铃声，也不需要真实的狗粮，只需要我们想出一个办法，让“铃声”细胞和“狗粮”细胞同时活动，小狗就能够学会听着铃声咽口水。

可是怎么做到这一点呢？聪明老鼠的研究给了我们一些提示。为了创造聪明老鼠，钱卓需要某种技术把特定的蛋白质（在他的例子里，是“裁判”蛋白）输送到小鼠脑袋的某个特定区域里。这种技术的细节就不再展开了，但是我们可以充分展开想象，如果我们能在“铃声”细胞和“狗粮”细胞里放进去一个蛋白质，这个蛋白质能够让这两个细胞同时被激发，那我们岂不是可以创造出无中生有的记忆来，让懵懂无知的小狗对着铃声狂流口水？

有这样的蛋白质吗？

有。它来自海洋。

在 21 世纪之初，人们逐渐开始理解海洋中的海藻是怎么找到太阳的。简单来说，当阳光照射在海藻细胞上之后，光子带来的能量会打开细胞膜上的微小孔道，从而让海藻细胞活起来，摆动自己的微小鞭毛，调整自己的姿态，让阳光更舒服地照射在自己身上。

这个看起来简单的生命活动提供了一个脑洞很大的可能性。想想看，把海藻的微小孔道放在神经细胞里会发生什么——利用光，我们就可以直接操纵神经细胞的活动。这个设想在 2005 年变成了现实。在幽幽蓝光的照射下，科学家可以让神经细胞像机关枪一样不停地发射，可以让小虫子扭动身体，可以让果蝇以为自己闻到了难闻的气味。

而接下来，自然会有人去尝试在大脑中创造记忆。

麻省理工学院的利根川进（Susumu Tonegawa）首先做了这方面的尝试。他们提出了一个这样的问题：“有没有可能，在动物大脑中植入虚假的场景？”这个问题有着毋庸置疑的现实基础。毕竟，从文字图画到喜剧电影，从 iMax 到 VR，人类文艺作品的一大追求就是“现场感”，能让人如同身临其境，进入一个从未亲历的场景中。对大脑直接动手肯定是最方便、最有现场感的办法。

他们的做法分为两步：首先，让小老鼠亲自进入某个场景（比如一个方形、墙壁画着图案的笼子），这个时候如果在小老鼠的海马体进行记录，科学家可以知道小鼠是如何感受和体验这个场景的。比如，在 100 个神经细胞里可能会有 10 个开始活动，另外 90 个保持不动，这 10 个活动细胞的空间位置分布本身就编码了这个特定场景的空间信息。每次进入同样的场景，小鼠大脑都会出现非常类似的反应。

总结出规律之后，紧接着开始第二步。利根川进他们就可以套用聪明老鼠的套路，把蛋白质输送到所有代表方形图案屋的神经细胞里去了，只不过这次输送的不是让老鼠聪明的“裁判”蛋白，而是让细胞感光的微小孔道。这样一来，只需要对着小鼠的大脑打开蓝光灯，小鼠的脑海里就会出现虚假的回忆，哪怕它此刻其实身处圆形的泡泡屋，它也会以为自己身处方形图案屋（见图 7-10）！

图 7-10　用光在动物脑中产生虚假记忆

沿着这个思路，我们可以展开充分的想象。除了植入简单的场景，我们能不能植入一段完整的记忆？除了植入记忆，我们能不能擦除一段希望忘记的记忆？除了利用自身的经历，能不能实现记忆的传播——把一个人的记忆读取出来，然后植入另一个人的脑海？到最后，我们能不能直接在计算机里先生成一段完全虚假的记忆——比如在冥王星上面朝大海——然后植入人脑？

其实说到这里，我们还是必须承认，关于学习和记忆，我们还有太多的东西并不知道。

特别是对于人类而言，学习决不仅仅是具体生活经验的记忆和应用。三人行必有我师，我们能够通过观察他人的行为来学习，不需要重新犯一次别人犯过的错误。从文字到方程，从哲学思想到艺术理论，我们可以跳出生活经验，学习理解抽象的模式。对于这些学习过程，我们的理解仍然非常浅陋。

但是，我想我们仍然可以说，在这个多变的世界里，学习和记忆对于智慧生命的生存和壮大至关重要。没有学习，每一次太阳升起，对于生物来说都是全新和陌生的一天；有了记忆，对于一个生物个体、一套遗传物质而言，只要给它足够的时间，它就可以观察、积累和适应。而对于一个生物群体来说，学习还能帮助它们把经验和感受一代代传递下去。在今天的世界上，人体的生物学演化速度根本无法赶上技术和信息积累的速度，但是我们至今仍然没有掉队。学习和记忆，就是我们最有力的武器。

推荐阅读