记忆信息与大脑神经元固有频率的关联性

钟振余(宁波大学)

摘  要：大脑记忆按事件方式储存，每个树突的固有频率就是记忆事件对应的信息元素。神经元表面成千上万个不同形态的树突树棘所代表的信息集合就是一个记忆事件的信息储存总和。不同类型的信息内容储存在不同的脑区，同一瞬间储存在不同脑区的事件信息，通过突触机制关联成一个整体事件。记忆的读取遵循电波的谐振原理，通过突触关联的记忆电波可让肌体感知到类同于初始意识体验时曾经有过的意识状态。神经元的生存必须以稳定为前提，神经元不可以成为外来信息的传导介质，所以，颅内神经元群之间的信息交换只能以电波为媒介。

意识和记忆是现代科技发展中最具挑战性的研究课题。迪克·斯瓦伯等脑科学研究者普遍认同意识的形成是大量神经元共同作用的产物^[1]140。笔者在《意识的物理学原理和记忆的生物学机制》一文指出，^[2] 颅内神经核、端脑、丘脑和脑干等处网状神经元群、下行运动神经（或包含小脑神经元群）等四大神经组织运用各自的集群特性衍化出生命特有的意识现象。这与许多研究者认为信息在各脑区之间多次折返，从低级加工到高级处理的观点不同，^[3-4]神经元因自身稳定需要不可能成为其他信号的传导介质。因此，通过神经元群局部振荡机制形成的电波是各神经元群之间信息传递的唯一方式。

人类对记忆的了解只知其然，不知其所以然，记忆的神秘面纱始终未被揭开。在推理层面，有人提出陈述性记忆和非陈述记忆，并认为记忆储存从感觉记忆到短时记忆，最终成为长时记忆的三阶段递进式编码处理。也有研究报告认为短时记忆过渡到长时记忆可能是在睡眠期间完成的。许多人认为海马神经元组织是记忆的核心区域。在神经解剖学中，人们发现记忆与神经元外表的树突树棘增生及突触的数量多少有关，智障儿童和胎儿的脑组织结构上少了许多树突树棘，神经元之间的突触关联也很少。^[5]

   在神经生物学和生理学研究领域，科学家确信记忆不仅与树突棘相关，更与外部刺激状态有关。记忆具有动态属性，神经元和记忆都是可塑的。学习的过程可以导致大脑结构发生改变。^[6-7] Dick Swaab教授提出“专业小提琴手的大脑皮层负责左手四根琴弦演奏的手指部分要比不演奏弦的人大5倍^[1]223”。这个结论与加拿大科学家Penfield在60多年前绘制的大脑皮层“小人图”结构完全印证。

   一、神经元储存信息的模型理论和生物学依据

   基于上述理由，作者曾提出记忆存取的生物学理论模型。模型的核心内涵为：神经元固有频率的变化就是记忆信息藏身的原理所在。

   （一）记忆信息的储存形式

   自然界中每个固定形态的物体，小到琴弦、茶杯、酒瓶，大到桥梁、建筑物等都有一定阈值范围的固有频率。同理，端脑中每一个神经元也因其自身结构及尺寸等形态不同具有各自的固有频率。神经元表面成千上万个树突类同于一根根不同长度和直径的琴弦，树棘相当于琴弦的调音卡子，调节着树突的固有频率。

   肌体外部信号经神经纤维传导进入颅内对应的神经核，神经核将这些信号整合成为电波信息发送。电波在颅内传播不受方向和位置限制，首先，丘脑、脑干等部位的网状结构神经元群接收到电波信号后形成意识感知；然后，端脑中某一神经元的固有频率与传播中的电波频率相近，神经元被扰动，初始被扰动的神经元或许不止一个，而是若干个。这些被电波扰动的神经元在脑内神经递质等化学物质的作用下，开始变形。随着神经核每秒若干次电波的重复冲击，其中一个神经元很快由扰动上升为谐振，谐振将意识当下电波的信息结构与神经元的形状结构建立起对应关系，一个神经元储存一个振荡周期中的电波信息。即一个电波周期中的所有信息元素被分别储存到各个不同固有频率的树突上。众多树突树棘共同构成的信息元素集合就是意识当下的一个事件。显然，树突的固有频率与记忆事件的信息元素对应；神经元整体的固有频率与神经核振荡频率对应。这样的信息组合方式构成各脑区信息储存的自然分类，即目前公认的皮层功能区。

   皮层振荡现象自上世纪90年代前后发现以来一直处在探索之中^[8]。Crick F.在《惊人的假说》专著中描述过这一实验现象：“神经元发放时测得信号如同徒手画出的一条粗糙曲线^[9]290”。如果将这条粗糙曲线理解为一个记忆事件，则曲线上每一个“粗糙”元素包含着一个个树突的信号频率。我们无需怀疑神经元这种超乎想象的信息处理精度，视网膜中的神经元不仅捕获自然界中30万公里/秒的光信号，而且可以将纳米级别的光波信号分辨出微小的差异。众多树突树棘共同构成的信息元素集合就是整个神经元振荡时可以发送的一个记忆事件。

  （二）记忆信息的储存结构

   如果将端脑类比为“硬盘”，则神经核发送的电波信号就是读写“硬盘”数据的指针。由于每个神经核产生的信号频率不同，所以，读写数据的“指针”指向也不同。按目前大脑皮层52区的分类方法，意味着每个神经核均可在皮层找到对应类型信息储存。脑内未曾被谐振过的神经元可视为“空白”，没有被定型，不含信息，也不会发放信号。

   生命活动期间通常会同时感知到两种以上的外部信号，与此对应，肌体传入颅内的信息也在两种以上。因此，不同神经核同时发放两种以上不同类型的电波时，端脑中同样也有两个以上区域的对应神经元被扰动。同时处于活动状态的不同区域的神经元因为轴突或树突的延伸及其生长机制的作用，两个区域的神经元之间形成突触关联。左右半球的各脑区通过胼胝体作为通讯干线，为突触的就近关联提供了潜在可能。正在哭闹的婴儿一旦听到妈妈的声音就会安静下来，突触关联使得“妈妈”这一神经元具有“闻”与“视”同样的意识感知。

  （三）记忆信息的发放方式

   处于静态生存的神经元受电波扰动产生谐振是自然规律使然。进入活动状态的神经元，必然会受到神经元外部化学物质的作用和胞体内部生命机制的影响。无论是神经元表面增生树突树棘，还是神经元胞体内部进行的生物化学活动，都是对神经元原有平衡状态的破坏和伤害。神经元生存的最大任务是保持自身稳定和平衡。为了这种稳定目的，神经元胞体运送内部化学物质对树突或轴突展开修复。其结果就是神经元产生振荡，振荡的本质或许就是树突和轴突中包含的管状体内化学物质的高速流动。神经生物学研究表明树突和轴突中包含纳米级别的微管、丝管和细管等三种尺寸的蛋白结构的管状体。这些管内带电离子活动时产生高速运动，离子流最终冲破神经元胞膜的分子门形成电波。^[9-10]由于树突自身固有频率的作用，发送的电波成了记忆的信息元素。这种情况类同于通讯领域中无线电波的产生原理：电波波长与天线的长度及结构成正相关。

   神经元活动发放电信号就是记忆信息的恢复过程。记忆信息的发放通常先由单个神经元活动为诱发，然后带动其他相关神经元以谐振的方式完成。突触将关联的整体储存事件依次触发。确保各神经元发送的信号既保留自身事件的整体性，又形成各神经元信息之间的排队次序。由于电波速度远快于神经元活动的机械速度，所以，目前的许多实验观察仅注意到局域性皮层振荡现象，而难以测定信号的内涵之别。神经元发放的信号与当初电波储存时的信息应基本一致，所以，丘脑和/或脑干网状神经元群及运动神经等接收到电波信息后形成的感知状态也与当初经历过的感受状态类同。

  （四）记忆信息的可塑性

   众所周知，计算机技术中的信息储存是基于物理单元上的磁性改变为标记，以“0”和“1”作为信息储存基础，通过2进制编码规则建立起信息储存原理。所以，稳定是现代信息储存的首要目标，而储存容量可以无限扩大。相反，基于生命活动为基础的神经元，信息储存的扩容是最大的难题。如果一个记忆事件储存一个神经元或一组神经元，则一个生命个体在其漫长的一生中需要储存的信息量是一个无法想象的海量信息库。因此，神经元以其自身的可塑性消解了储存容量的稀缺性。以视信息储存为例，婴儿初次将妈妈的外形储存为一个事件信息后，妈妈任何一次的外形改变并不会在婴儿的大脑中增加一个新的储存神经元。比如,妈妈换了服装，长头发理成了短头发等任何视图信息的改变，婴儿的记忆神经元只需在原有信息储存基础上增生若干个树突即可完成信息更新。“妈妈”神经元从婴儿时期形成，随着婴儿成长直至变老，“妈妈”神经元中的某些局部树突树棘也不断地从增生到退化，但作为一条固定的信息储存始终不变。记忆信息的可塑性在生物学意义就是神经元树突树棘的可塑性，就是突触的可塑性。这种可塑的机制在生物学意义上可作如下猜想：树突内以蛋白分子为材料的微管、微丝、神经细丝等三种管状体结构的神经元骨架，因电波的谐振作用引发管内化学物质流动，产生离子流，神经元活动越频繁，管内离子流越畅通。信息储存越稳固，即树突的固有频率越稳定。

   相反，长期处于静息状态的神经元因生命自身修复等原因，树突形状发生改变，固有频率慢慢改变，储存的信息变得模糊及至消失，神经元回到了初始平衡状态，即信息“空白”状态--遗忘。 其内部机制就是树突轴突等管状体内不再产生高速流动的物质。更不会主动发放信息，大部分人对婴幼儿时期的经历很少能回忆起来。随着肌体老化，神经元活性降低及颅内神经化学物质减少，神经元对新的电波信息储存变得困难，也就是神经元表面不容易增生树突树棘。即使储存了信息，神经元自主活性变差，不容易主动发放电波。因此，短时记忆变得困难。而过去被变形的神经元却非常稳定。因此，老年人总是说以前的事，而当下的事记不住。

   目前，许多研究者借助M/EEG、fMRI等技术手段开展神经可塑性研究，^[11-12] 这些研究报告除了分析方法不同外，实验数据显示的结果实质上就是上述分析的神经生物学机制。    

   二、突触机制将静态的外部信息衍化为动态的肌体反应

   现代计算机技术发展过程中，许多时候需要将不同类型的数据信息标记上相应的属性。神经元活动同样存在着类似于信息属性标记的动作行为。自然竞争环境下，远离凶猛动物、小心同类中的强者、关心家庭成员中的弱者、美味的食物和苦涩的野果，这些都是个体在成长过程中形成的信息标记。这种属性标记机制就是储存事件信息的神经元与储存肌体活动信息的神经元之间进行突触关联。不同的关联方式形成不同的神经活动模式。人类的七情六欲就在这种关联之中显露无遗。因此，突触关联使得静态的信息储存获得肌体不同部位运动神经的动态标记。

   （一）突触的形成和作用机制

   突触是一个神经元与另一个神经元之间的机能连接点。对于突触的作用机制，目前有多种假说，如突触修饰说、突触传导说、突触与记忆关系说等。

在作者的模型理论中，突触就是神经元之间的信号触发器。这种关联总是单向的粘附，即由储存视闻嗅味等概念事件的神经元向触感类运动信息储存神经元粘附。一旦前者神经元被谐振，后者神经元自然受控于突触提供的信号强度而动作。非洲大草原上，在羚羊的端脑中，储存花豹信息的神经元将突触粘附在储存肢体活动信息的神经元上。因为小羚羊在成长过程中，每次见到花豹总是跟随着成年羚羊（父母）逃跑，这种状态自然使端脑中两类储存信息发生突触关联，即，储存“花豹”外形信息的神经元与储存肢体运动信息的神经元在同时活动时被突触关联为一体，这种信息储存结构被多次重复强化。一旦花豹出现，视神经元的谐振作用带动整体相关信息发送电波，意识获得的感知就是运动神经处在逃跑的准备之中。在安全距离以外，突触传递的后续信号较弱，引发的电波强度也弱。肌体运动神经仅感知到紧张，羚羊的整体意识状态处于警惕和不安之中。随着花豹逐步靠近，“花豹”神经元谐振强度提高，突触传递的信号强度也提高，神经元发放的电波足以驱使全身相应的运动神经活动，羚羊开始逃跑。Crick F.对突触的这种信号传递机制早有认识：“一个神经元仅能简单地告知另一个神经元它的兴奋程度^[9]126。”

  （二）突触将神经元储存的外部事件标注上个体自身的体验属性

   吃过苹果的人，一旦看到苹果即可感知到口腔中的酸味，怕蛇者见到死去的蛇或外形相近的黄鳝或鳗鱼也会全身紧张。这些例子都是因为电波信号因谐振特性扰动了端脑中对应的神经元，突触将该神经元所有关联的肌体活动神经元带动起来，引起肌体相关神经及组织器官不由自主地运动，使肌体感知到与当初意识状态完全类同的体验。因此，个体日后的情绪表现或处事态度均是当初意识环境下储存信息的再次体验。

  （三）突触机制让人类具备判断和计算能力

   通过突触关联的记忆事件，不仅体现在惊恐类等极端事件中，日常活动中的普通事件也有充分的体现。人类活动中任何第二次行为反应均以第一次信息储存模式为依据进行判断。生活中所谓凭经验判断，本质上是以最近一次神经元活动时储存的信息内容为标准。你经常去触碰一个烧水壶，突然有一天你被烫了一下，再去触碰时就变得非常小心。前者是凭经验触碰，从未发生过危险；后者，你的同事将壶中的水烧沸了没有告诉你，凭经验触碰失败了，两次判断都是基于同一个记忆储存模式。如果将被烫看成是第一次触碰，以后变得小心了就是第二次判断。因为在被烫的瞬间，神经元储存了新的信息，即某个突触粘附到运动神经元上。让记事件有了新的标记。大脑的计算能力同样也是建立在突触的关联机制之上。肌体自身的神经或组织器官随记忆事件而活动的例子平时不容易被感知。如果体验一下某些梦境你就明白了。睡梦中出现脚下踩空或为了跺避某种危险用力过猛时，你常常从睡梦中被惊醒，这是突触机制产生意识体验的最好实验例子。

   也许我们将突触机制理解为大脑活动过程中的一个“百事贴”更为合适。正是因为突触“捆绑”了储存运动信息的神经元，才使得生命个体在下一次遇到同一事件时，能够作出正确的判断。因此突触“百事贴”在大脑活动期间随时被使用，重要的事“粘”得牢些，次要事“贴”得松些。脑内化学物质充分，品质优良，粘贴容易，粘着时间久远，反之亦然。青少年记忆力强，中老年人易健忘，因为两者之间脑内具备的化学物质的质和量都不一样。健忘症或AD疾病患者，在其端脑中可能只有神经元谐振功能，而没有了突触的粘贴功能。传统心理学研究中对短时记忆和长程记忆的描述或许是人们认知上的一个错误。

  （四）突触的可塑性让神经元的信息属性处在动态变化之中

   突触也具有可塑性。在神经解剖观察时，研究者发现一个胞体直径只有微米尺寸的神经元在其外围高达500个突触，一个大的锥体神经元可多达2万个^[9]117,突触的关联方式也多种多样。所谓刻骨铭心就是因当时环境条件下，某一特定事件形成的记忆储存及突触关联超出了常规的强度和深度。随着时间的推移，突触也会慢慢退化，或不再附着。因此，记忆恢复时，突触关联的驱动力降低，即代表肌体活动的神经元信号电位减弱，当初具有的强烈情绪慢慢变得平缓，甚至完全平息。人们常说时间会抹平一切。就是突触的可塑性在起作用，包括突触的消失。

   三、结语

   细胞是生命的最小单位，保持细胞稳定是生命延续的基本要求。一个神经元只能具备一种功能，这种功能或许是神经元内部活动形成的副产品，抑或是“废物”，恰好被其它不同功能的神经元利用。神经元储存信息的逻辑：神经元因“刺激”失去稳定，然后频繁修复发送记忆信息，随时间延伸，新的平衡形成，发放频率减少，直至完全不发放--遗忘。若神经元被同样的电波再“刺激”一次，神经元的变形就会被巩固，学习和复习的过程就是神经元再“伤”的过程。心理学中的记忆曲线符合这一逻辑。大脑神经元模块化分布和极致化功能是肌体储存记忆和产生意识的重要前提。同一种类的神经元集群可以将各自特定的功能发挥到极致。[原文发表在宁波大学学报（教育科学版）2016年1月]

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