认知神经科学10年与记忆的神经机制研究进展

中图分类号： 6$"C= ’
文献标识码： D
文章编号： ’#$’ E FC%# ? %&&% @ %! E !"#$ E &!
过去 ’& 年是 “ 脑的 ’& 年” 。在这 ’& 年里认识心理学与神经 科学充分融合，逐渐形成了一门崭新的学科 E 认知神经科学，它 广泛采用认知心理学、分子生物学和其他神经科学的各种方法， 对人类 “ 脑与行为” 这一重大问题展开深入的、 以问题为中心的研 又可以称为认知神经 究， 并取得了丰硕的成果。 因此“ 脑的 ’& 年” 科学的 ’& 年。 心理学长期以来致力于各种心理活动的研究和观察。 在 %&世 纪前半叶，随着实验心理学和行为心理学派的兴起，心理学逐渐 发展成熟， 从一门主要基于对人类行为和复杂心理学活动的内视 （ 研究的哲学传统， 转向定量化地对一些可以观察的 *+81/-G,58*/+） 心理和行为进行研究， 如对知觉、 记忆、 复杂问题解决能力， 甚至 意识本身进行研究。 特别在后来的几 ’& 年里， 认知心理学以信息 加工的观点， 将复杂的行为和心理功能分解为不同的认知亚成分 （ ， 这极大地推动了心理学的发展。’C$& 到’CJ& 模块， ;/H0321*8I） 年代， >,*-,1 等 A’ B 一批认知心理学开创者开始对以往不能量化的 内在的认知过程进行科学的定量的研究。 到了 ’CC& 年代， 人们已 可以对感觉、 运动的表象等几乎所有内在的心理活动进行直接的 实验研究，加深了对各种认知和心理内在活动的理解，从行为学 的实验结果建立了各种心理行为的认知模型。一方面， 这些认知 模型需要来自神经科学方面证据的证实和修正， 另一方面人们也 急需了解各种心理活动及其认知模块的神经学基础。 这就加速了 认知心理学和神经科学的结合，共同研究攻关，揭示大脑工作机 制的奥秘 A% B 。在这个过程中认知心理学往往不断为研究提出问题 和模型， 而神经科学家则广泛利用从分子生物学、 生理学、 神经病 学到神经影像学等各种方法来展开研究—— — #认知神经科学的研究层次； #认知神经科学的研究方法； #外显记忆的神经机制研究； #内隐记忆的神经基础； #记忆的分子机制学说。 ’ 认知神经科学的研究层次 大脑作为一个复杂的系统， 其功能也极其复杂。认知神经科 学的最大特点是广泛采用当今科学各个学科的先进方法， 对大脑 这一复杂系统，进行多层次的、以解决某一认知功能的神经学机 制的问题为中心的研究。 在基因分子水平，认知神经科学采用分子生物学的方法，寻 找各种认知活动的神经系统分子基础。 %& 世纪后叶分子生物学技
・继教园地・
摘要：文章简述了认知神经科学的研究层次和研究方法， 并探讨了记忆的神经机制和分子学基础研究。 关键词： 认知神经科学； 认知神经心理学； 记忆
术突飞猛进，分子生物学作为一门技术对神经科学的渗透，推进 了神经科学在分子水平的研究，分子神经科学逐渐形成。它一改 以往神经科学主要使用神经解剖学及生理学术语在细胞以上水 平研究的状况，更多地使用生物学乃至分子生物学的语言，在细 胞以下基因分子水平对脑的实质进行探讨。初步的研究表明，记 忆与一些蛋白以及蛋白的基因调控有关，而基因的突变或缺失也 可以导致动物的学习记忆的障碍。注意的警觉网络与去甲肾上腺 素有关， 而乙酰胆碱与注意的定位网络有关 A! B 。 单神经元放电和脑皮层场电位的记录让人们能在细胞水平了 解认知功能的神经电生理的基础。 例如在海马及其周围皮层的神经 元发现了与生物体所处方向和方位的特异性细胞 （ 分别称为 H*1,5K ， 海马神经元的长程电位 （ 与学习和记 8*/+ 5,33 和 G/-*8*/+ 5,33） LMN） 忆功能有关， 杏仁核神经元的放电与条件发射和情绪记忆有关 A!B。 在大体和组织水平上， 从一开始神经心理学就为行为和脑科 学的研究做出了突出的贡献。 早在 ’J#’ 年 D1/52 描述了 ’ 例左侧 额叶损害患者的语言障碍，为语言的左侧半球优势理论奠定了基 础。 上世纪中叶， OG,11I 等通过对裂脑人的研究提出了大脑两半球 功能的不对称性的理论。在最近的 %& 年内神经心理学密切结合 认知心理学的各种模型，以特殊的脑损害案例的认知功能之间的 分离，来佐证不同的认知加工通道的模型，形成了一门新兴的子 学科 E 认知神经心理学，或者称为基于患者的神经科学。这方面 的研究极大地丰富了现代神经科学的知识，一些研究对重大的认 知问题的解决提供了线索。 如 N,+-4*,3H 和 P*3+,1 等 A" B 对 ’ 例双侧 海马切除患者 （ 的研究阐明了记忆的多系统之间的分离， 记 QP） 忆的多系统理论是当今记忆研究的基础。而 RH/3G)- 和 :2;2-*/ 等 AF B 在《 自然》 上报道 ’ 例双侧杏仁核损害的患者表现出选择性的 恐惧情绪认知加工障碍， S2+T 等 A# B 报道一例双侧扣带回前部损害 的案例表现有类似的恐惧情绪表情知觉障碍， 而另一组 S*3-/+ 氏 病患者出现相对严重的厌恶表情加工障碍，这种情绪加工的双分 离提示不同的情绪可能有不同的神经机制，这方面的研究目前正 引起神经科学界的广泛兴趣。 % 认知神经科学的研究方法 最近的脑功能成像技术的发展，为科学家在正常人脑中了解 认知功能的实时脑活动打开了一扇窗口。研究通过头皮脑电和脑 的血流动力学指标来记录从事认知实验时被试的脑激活。基于头 皮脑电的事件相关电位 （ 可以在极其 ,U,+8 1,328,H G/8,+8*239 V6N） 精确的时间分辨率 （ 下研究脑皮层的活动， 而多导联 （ 例如 ’%J ;-） 导， 甚至 %F# 导） 大大提高了电生理检查的空间分辨率 VVW 记录， （ 可以精确到脑回） ， 在注意和物体识别等方面的 V6N 研究均取得 成果。 另外一类是利用脑血流代谢的改变来实现脑功能成像， 早期 应用的 NVM 是利用发射标记的物质了解脑局域的血流改变来反 映脑功能的激活， 这种技术的空间分辨率可达到几个厘米， 也可反 映脑皮层下结构的血流的变化， 时间分辨率却很低 ? 几分钟 @ ， 通常 用于记忆和情绪方面的研究。 功能 P6X 是利用氧合血红蛋白和非 氧合血红蛋白具有不同顺磁性的特点来记录脑区激活，其空间分 辨率较 NVM 高， 即使是常规的块状实验设计 （ 的时间 D3/5Y H,-*T+）
中国临床康复 %&&% 年 ’% 月 第 # 卷 第 %! 期 ()*+,-, ./01+23 /4 (3*+*523 6,)27*3*828*/+9 :,5,;7,1 %&&%9 </3= #9 >/= %!
・ !"#$・
前沿话题
认知神经科学 ’& 年与记忆的神经机制研究进展
汪 凯9 王长青， 王 琥 ? 安徽医科大学第一附属医院， 安徽 合肥 %!&&%% @
N’% P
，而
5X?L 通路的破坏则可导致动物的恐惧条件反射的丧失，这提示 及其参与的 杏仁核参与情绪学习的机制与 5X?L 依赖激酶（ LYX） 触突改变和蛋白质合成有关 N’! P 。 KJL、 != ! 记忆的分子机制学说 已有大量的实验表明一些神经递质 与学习和记忆有关，如乙酰胆碱可以增强记忆功能，肾上腺素能 也 通过葡萄糖， 促进情绪记忆。 一些氨基酸如 ! 氨基丁酸（ ZX[X） 与记忆关系密切。而不少神经肽如加压素和黑色细胞刺激素， 促 肾上腺皮质激素等与记忆和学习有关。 最近研究者利用分子生物学的基因突变和基因敲出 （ V+/5V 等方法， 结合电生理和行为学的指标9 研究心理行为和认知功 /08） 能， 关于记忆的分子基因机制取得了一些成果。尽管外显记忆和 内隐记忆各有其不同的神经网络， 两者在时间纬度上均可为短时 和长时记忆。长时记忆明显不同与短时记忆的分子机制在于， 前 和 >?:X 者需要蛋白的合成。 而 5X?L 反应成分结合蛋白（ (6W[） 受体被认为在长时记忆中起着关键作用。 新近在果蝇的研究显示 5X?L 反应成分（ 寡核苷酸能导 (6W） 致果蝇的感觉神经元的触突可塑性的改变， 也能阻断长时学习记 忆的易化但对短时程易化则无影响。 另外特异性 (6W[ 的单抗也 有类似的作用。 (6W[ 的修饰被认为是细胞信号传导的中心环节， 在与学习有关的 KJL 和新蛋白合成中起着重要作用 N’" P 。 >?:X 受体是兴奋性氨基酸的受体，有 >6’ 和 >6% 两个亚 型， 后者又有 >6%X 到 : " 个亚型。 >?:X 受体基因剔除的小鼠表 现出明显的空间学习障碍
基金项目： 安徽省自然科学基金 （ ； 安徽省优秀青年科技基金 &’&"!#&% ） （ A %&&% B &% ） 作者简介： 汪 男， 安徽合肥人， 副教授， 博士， 研究方向为 凯 ? ’C#" — @ ， 认知神经心理学的研究。
!!!" #$%Байду номын сангаас’(" &)*
・ !"#$・
中国临床康复 %&&% 年 ’% 月 第 # 卷 第 %! 期 ()*+,-, ./01+23 /4 (3*+*523 6,)27*3*828*/+9 :,5,;7,1 %&&%9 </3= #9 >/= %!
N$ P 型（ 。 ;038*H3, 8125, ;/D,3）
以及在恐惧条件学习后的神经触突的可塑性改变 N’’ P 。 最近的 KJL， 杏仁核的激活增加。 而神 LWJ 和 4?6@ 研究表明情绪表情认知时， 经心理学的研究也表明额叶部位毁损导致情绪的普遍认知障碍， 而杏仁核和扣带回前部毁损导致选择性恐惧认知障碍， 基底节毁 损导致厌恶表情认知的障碍。 这里证据提示情绪学习的神经机制 相当复杂， 除了与杏仁核密切有关外， 与扣带回、 基底节额叶底面 在情绪记忆的分子机制方面， 最近实验研究发现去甲 等均有关 N# P 。 肾上腺素受体阻滞剂可以导致人类的情绪学习的障碍
分辨率也大大提高（ 可达到 ’&& ;-） ， 而新近的事件相关 ?6@ 技术 使其时间分辨率得以进一步提高，可以实现在单一事件的实验设 计 A B*+C3, 812*3 D,-*C+ E 以更精确了解不同认知任务的脑激活。 最近 还有人尝试用光学成像的原理来了解脑血流的改变。 ! 记忆的神经机制 除了传统的记忆模型将记忆分为感觉记忆、短时记忆 （ 或工 作记忆）和长时记忆以外，在脑损害病人上进行的认知神经心理 学研究提出了记忆的多系统理论。 记忆的多系统理论认为长时记 忆不再是一个单一认知形式或单元，至少可以分成陈述性记忆 （ 和程序性记忆 （ 两种独立 D,532128*F, ;,;/1G） H1/5,D01, ;,;/1G） 的形式。前者是对事件或事实知识的记忆， 这类记忆可以在意识 包括情景记 ， 水平上进行描述， 又称为外显记忆 （ ,IH3*5*8 ;,;/1G） 忆（ 和语义记忆 （ ； 后者是对感 ,H*-/D*5 ;,;/1G） -,;2+8*5 ;,;/1G） 知觉和运动程序知识的记忆，多不能在意识水平上进行描述，表 。 现为一种技巧或熟悉性， 又称为内隐记忆（ *;H3*5*8 ;,;/1G） != ’ 外显记忆的神经机制研究 新皮层被认为是记忆的永久的 贮藏点， 而外显记忆神经机制的显著特点是， 在有限的时间窗内， 系统。L,+4*,3D 和 ?*3+,1 等对双侧海马损 依赖与内侧颞叶 （ ?JK） 害的病人 M? 的记忆损害研究时发现， 病人表现出严重的顺行性 遗忘， 对病前很久以前的事物的记忆却保留， 提示 ?JK 主要参与 外显记忆的编码，而记忆的永久储藏点远离 ?JK，在不同的新皮 层。但进一步的神经心理学和动物研究表明， ?JK 损害可以导致 一定程度的逆行性遗忘， 这种逆行性遗忘的时间范围可以从几天 到几周不等，而且病前越近的事越容易遗忘，呈明显的时间梯度 。 最近《 自然》 杂志 逆行性遗忘（ 8,;H/123 C12D,D 1,81/C12D, 2;+,-*2） 上报道了一例双海马损害患者对地理知识的记忆障碍， 研究结果 表明 ?JK 损伤的空间记忆障碍也是时间梯度的逆行性遗忘。这 些结果表明，?JK 不只是参与记忆的编码，也参与了事件记忆的 过程中， 固化的过程 NO P 。在记忆的不断重复和更新（ 1,),21-23） ?JK 可能通过对负责整个事件不同方面特征记忆的新皮层的不断集 合（ 或再组织 （ 参与记忆的固化过程。记忆 7*+D*+C） 1,/1C2+*Q28*/+） 被永久地 需经过足够时间的固化后， 才独立与 ?JK 或海马结构， 贮存在新皮层中。这种理论被称为 ?JK 参与记忆的多次痕迹模