学习与记忆的研究进展

——从高中课本到诺贝尔奖，一文读懂大脑如何“记住”

【导读】为什么有的同学背单词过目不忘，有的同学转头就忘？为什么熬夜刷题往往事倍功半？过去一百年，科学家从一个失忆病人、一只海洋里的“海兔”、一群被光点亮的细胞里，逐步揭开了学习与记忆的奥秘：记忆不是存在某个“U盘脑区”里的文件，而是神经元之间连接强度的改变。本文以高中生物学教材为起点，沿着真实的研究史，用通俗的语言和图示，带你走到这个领域的前沿。文中所有结论均标注了原始著作或文献出处，可放心引用、查证。

一、从课本出发：什么是学习与记忆

人教2019版《生物学·选择性必修1·稳态与调节》第2章第5节告诉我们：学习与记忆是神经系统不断地接受刺激，获得新的行为、习惯和积累经验的过程；学习和记忆不是由单一脑区控制的，而是由多个脑区和神经通路参与；其机制涉及脑内神经递质的作用以及某些种类蛋白质的合成（出处：人民教育出版社《生物学 选择性必修1 稳态与调节》，第2章第5节“人脑的高级功能”，第38~39页）。

这几句话看似平淡，却是无数科学家用一百多年换来的结论。举个生活中的例子：你第一次看到“海马”这个词，眼睛把信息送进大脑；你跟着老师念了一遍，信息被暂时“握在手里”；课后你又复习了几次，它就变成了你的长期知识。这个过程，正好对应心理学家提出的“三级信息加工模型”：感觉记忆、短时记忆、长时记忆（出处：Atkinson & Shiffrin, 1968, 载于《学习与动机心理学》第2卷，第89~195页）。

图1记忆的三级信息加工模型示意图（据 Atkinson & Shiffrin, 1968, pp.89-195）

我们可以把大脑想象成一家物流公司：感觉器官是“快递传送带”，包裹（信息）川流不息，绝大多数包裹没人签收，几秒之内就被清走——这就是感觉记忆，保持时间不到1~4秒。被“注意”签收的包裹进入前台暂存区——短时记忆，容量小、保存约20~30秒。只有经过“复述、编码、打包”的包裹，才会送进地下大仓库——长时记忆，保存数天乃至终身。

二、记忆也分“保质期”：遗忘曲线与工作记忆

2.1艾宾浩斯：第一个给遗忘“画像”的人

德国心理学家艾宾浩斯（Hermann Ebbinghaus）是第一个用实验定量研究记忆的人。他以自己为被试，刻苦背诵大量无意义音节（如“DAX”“QEH”，避免旧知识干扰），再测量不同时间后还能记住多少。1885年他在专著《论记忆》（Über das Gedächtnis）中公布了著名的“遗忘曲线”：学习结束仅20分钟后，记忆量就只剩约58%；1小时后约44%；1天后约34%；31天后仍有约21%（出处：Ebbinghaus, 1885《论记忆》；数据转引自 Bear 等《神经科学——探索脑》第4版第24章）。

图2艾宾浩斯遗忘曲线（数据据 Ebbinghaus, 1885）

这条曲线告诉我们两件事：第一，遗忘是先快后慢的——刚学完的头一个小时是遗忘的“陡坡”，所以课后当天的第一次复习最划算；第二，即使不复习，一个月后仍有两成“残存”，说明大脑并没有把信息彻底删除，只是提取的“路径”变弱了。

2.2神奇的“7±2”与工作记忆模型

1956年，心理学家米勒（George A. Miller）发现，人的短时记忆容量大约是7±2个“组块”（chunk）。一个孤立的字母是一个组块，一个有意义的单词也是一个组块——所以把“F、B、I、C、I、A”六个字母重组为“FBI”和“CIA”两个组块，记忆负担立刻减轻（出处：Miller, 1956, Psychological Review, 第63卷第2期，第81~97页）。这就是“化整为零、组块记忆”的科学依据。

1974年，巴德利（Alan Baddeley）等人进一步提出“工作记忆”模型：短时记忆不是一个被动仓库，而像一个“工作台”——有一位“中央执行”管理员负责分配注意力，旁边有“语音环路”（默念巩固语言信息）和“视空间画板”（处理图像和空间信息）两名助手；2000年又补充了“情景缓冲区”，负责把声音、图像、语义整合成连贯的情节（出处：Baddeley & Hitch, 1974, 载于 The Psychology of Learning and Motivation 第8卷，第47~89页；Baddeley, 2000, Trends in Cognitive Sciences, 第4卷第11期，第417~423页）。你一边听老师讲课一边记笔记，就是这套系统在同时运转。

三、一位改变科学史的病人：H.M.与海马

1953年，27岁的美国青年亨利·莫莱森（Henry Molaison，生前文献称他为H.M.）为治疗顽固性癫痫，接受了一台手术：医生切除了他大脑两侧内侧颞叶的大部分结构，其中就包括海马。手术止住了癫痫，却带来意想不到的代价——H.M.从此无法形成新的长时记忆：他记不住新认识的医生，不记得刚吃过的饭，每天都觉得自己“刚从昏迷中醒来”。奇怪的是，他的智力正常，童年的旧事记得清清楚楚，甚至还能学会新的手部技巧（如镜画描图），只是完全不记得自己练过（出处：Scoville & Milner, 1957, Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry, 第20卷第1期，第11~21页）。

图3海马在大脑中的位置示意图

H.M.的案例给神经科学带来两个革命性认识。第一，海马是“新记忆的加工厂”：它负责把短时记忆转化为长时记忆，但它本身不是记忆的最终仓库——因为H.M.的旧记忆完好无损。第二，记忆不是一个整体，而是分成不同系统的：H.M.失去的是“陈述性记忆”（能说出来的事实和经历），保留的是“程序性记忆”（骑车、描图这类“身体会了嘴说不清”的技能）。加拿大心理学家米尔纳（Brenda Milner）对H.M.随访了近半个世纪；2008年H.M.去世，他的大脑被切成2601片永久保存，继续为科学服务。

在这些研究基础上，斯奎尔（Larry Squire）等人建立了“多重记忆系统”理论：陈述性记忆依赖海马与内侧颞叶，程序性记忆依赖基底神经节、小脑等结构（出处：Squire & Zola-Morgan, 1991, Science, 第253卷，第1380~1386页）。这就解释了为什么阿尔茨海默病（老年痴呆）患者早期常常“记不住新朋友，却记得住老歌”。

图4长时记忆的多重系统分类（据 Squire & Zola-Morgan, 1991）

四、赫布的预言：一起放电，连在一起

早在人们知道海马的作用之前，1949年，加拿大心理学家赫布（Donald O. Hebb）就在著作《行为的组织》（The Organization of Behavior）中写下了神经科学史上最著名的一段推测：当细胞A的轴突近到足以激发细胞B，并反复或持续地参与使B兴奋时，其中一个或两个细胞就会发生某种生长过程或代谢变化，使A激发B的效率提高（出处：Hebb, 1949, The Organization of Behavior, New York: Wiley, 第62页）。

这句话后来被精炼成一句口诀：“一起放电的神经元，连接会更紧密”（Neurons that fire together, wire together）。打个比方：突触就像两栋楼之间的吊桥，两个“住户”来往越频繁，吊桥就修得越宽越结实；久不来往，吊桥就会锈蚀拆除。背单词时，“字形、读音、含义”总是同时出现，负责这三者的神经细胞群反复“一起放电”，它们之间的“吊桥”就被不断加固——这就是学习的细胞学本质。赫布当时没有任何直接的实验证据，纯粹是理论预言，因此被称为“赫布假说”；直到二十多年后，人们才在实验中真正看到这种现象。

图5赫布规则示意图（Hebb, 1949, p.62）

五、预言成真：长时程增强（LTP）的发现

1973年，英国科学家布利斯（Tim Bliss）和挪威科学家勒莫（Terje Lømo）在兔子的海马中做了一个关键实验：他们先记录突触对普通刺激的常规反应，然后给传入纤维施加一串高频强刺激（模拟“反复学习”），结果发现——同样的普通刺激，引起的突触反应竟然持续增强了数小时甚至数天！这种现象被命名为“长时程增强”（long-term potentiation，缩写LTP，中文意为“长时间保持的增强效应”）（出处：Bliss & Lømo, 1973, Journal of Physiology, 第232卷第2期，第331~356页）。

图6LTP实验示意图：高频刺激后突触反应持久增强（据 Bliss & Lømo, 1973, pp.331-356）

LTP是第一个符合赫布预言的真实生理现象：它由突触前后的“协同活动”触发，能增强数天，而且主要发生在海马——恰好是形成记忆的关键脑区。1993年，布利斯与柯林格里奇在《自然》（Nature）杂志上系统论证“LTP就是记忆的突触模型”，这篇综述是被引用最多的记忆研究文献之一（出处：Bliss & Collingridge, 1993, Nature, 第361卷，第31~39页）。

那么，突触这个只有几十纳米宽的微小结构，究竟长什么样？又靠什么“记住”一次学习呢？下图是电子显微镜下的真实突触照片：上方膨大的结构是突触前末梢，里面挤满了装载神经递质的突触小泡；中间那条缝隙是突触间隙；下方是突触后膜。

图7电子显微镜下的真实突触（图片来源：百度百科“突触”词条；中文注解为本文所加）

LTP的分子机关，藏在突触后膜上的两类“门”里。第一类叫AMPA受体，是“日常通道”，递质一结合就开门放行，负责平时的信号传递。第二类叫NMDA受体，它像一位严格的“巧合探测器”：平时被镁离子堵住，只有当“递质已经结合”并且“突触后膜本身正处于兴奋状态”两个条件同时满足时，它才会打开，放钙离子（Ca²⁺）进入细胞。钙离子是细胞内的“信号兵”，它一涌入，就启动一连串化学反应，把更多AMPA受体“搬”到突触后膜上——从此，同样一份递质能引起更强的反应，这个突触就“变聪明”了（出处：Bear, Connors & Paradiso《神经科学——探索脑》第4版，第25章“学习与记忆的分子机制”）。

图8LTP的分子机制示意图：NMDA受体是“巧合探测器”

请注意这个设计的精妙之处：NMDA受体恰恰要求突触前、后两个细胞“同时活跃”才开门——这正是赫布规则在分子层面的实现！理论预言与实验证据，在这里完美合拢。

六、一只海兔换来的诺贝尔奖：坎德尔的分子记忆学

人脑有大约860亿个神经元，直接研究人脑的记忆，就像在全世界的电话网里找一根接触不良的线。奥地利裔美国科学家坎德尔（Eric R. Kandel）想了一个聪明的办法：改用最简单的“模型动物”——海兔。海兔是一种海洋软体动物，整个神经系统只有约2万个神经元，有些神经元大到肉眼可见。轻轻碰一下海兔的喷水管，它会收缩鳃来保护自己；如果反复轻触，它就“习惯”了，不再收缩（这叫“习惯化”，是最简单的学习）；如果尾部受到电击，再轻触喷水管，它就会剧烈收缩（这叫“敏感化”）（出处：坎德尔《追寻记忆的痕迹》，罗跃嘉等译校，中国轻工业出版社，2007年）。

图9海兔（Aplysia）真实照片——坎德尔的“实验功臣”（图片来源：抖音百科“海兔”词条）

通过这只其貌不扬的动物，坎德尔揭示了一个划时代的结论：学习的本质是突触连接强度的改变，短时记忆与长时记忆用的是两套不同的“分子设备”。短时记忆（几分钟到几小时）只是给已有的蛋白质“贴临时标签”——蛋白质被磷酸化修饰，离子通道功能改变，递质释放暂时增多，不合成新蛋白质，所以容易消退。长时记忆（数天到终身）则要惊动细胞核：反复强刺激使细胞内的“信使”cAMP增多，进而激活CREB等“基因开关”，启动基因表达、合成新蛋白质，最终长出新的突触——记忆就这样被“焊”进了大脑的结构里（出处：Kandel, Dudai & Mayford, 2014, Cell, 第157卷第1期，第163~186页）。

图10短时记忆与长时记忆的分子机制对比（据 Kandel 等, 2014, Cell 157:163-186）

2000年，坎德尔因“神经系统信号转导”的研究获得诺贝尔生理学或医学奖。他从海兔身上得到的规律，后来在果蝇、小鼠乃至人类身上一再被验证。正如他在自传中所说：低等动物与人类的记忆，在分子层面使用的是同一套古老的“语法”。顺带一提，教材选必1第38~39页所说的“短时记忆可能与神经元之间即时的信息交流有关”“长时记忆可能与突触形态及功能的改变以及新突触的建立有关”，其直接证据来源正是坎德尔这一系列研究。

图11埃里克·坎德尔（1929— ），2000年诺贝尔生理学或医学奖得主（图片来源：世界经济论坛官网）

七、前沿瞭望：给记忆“拍照”，甚至“植入”记忆

7.1记忆印迹细胞：找到了记忆的“细胞脚印”

记忆到底存在大脑的哪个角落？这个问题困扰了科学界一百年，直到光遗传学技术的出现。2012年，诺贝尔奖得主利根川进（Susumu Tonegawa）的团队在《自然》杂志发表了一项惊人的实验：他们用基因工程手段，给小鼠形成恐惧记忆时恰好活跃的那一小群海马神经元装上光敏“开关”；几天后把小鼠放到一个从未受过电击的新房间，小鼠本来很平静，可一旦用蓝光照射那群细胞，小鼠立刻吓得僵住——记忆被人为“唤醒”了（出处：Liu et al., 2012, Nature, 第484卷，第381~385页）。这群细胞被命名为“记忆印迹细胞”（engram cells），可以说是记忆的物理载体第一次被直接“拍照取证”。

图12记忆印迹细胞实验流程示意（据 Liu et al., 2012, Nature 484:381-385）

更神奇的是，2013年该团队又用同样的技术，把A房间的记忆与电击“嫁接”在一起，让小鼠对一个从未发生过危险的房间产生恐惧——相当于“植入”了一段虚假记忆（出处：Ramirez et al., 2013, Science, 第341卷，第387~391页）。2020年，该领域在《科学》（Science）杂志的综述中总结：印迹细胞的激活与抑制，决定了记忆的唤起、更新乃至扭曲——这为治疗创伤后应激障碍（PTSD）和阿尔茨海默病带来了全新思路（出处：Josselyn & Tonegawa, 2020, Science, 第367卷，eaaw4325）。

7.2睡眠：大脑在夜里偷偷“存档”

另一个近二十年才确立的重大发现是：记忆巩固主要发生在睡眠中。白天学到的新信息先暂存在海马这个“临时仓库”；夜间深度睡眠（慢波睡眠）时，海马会把白天的经历像放电影一样高速“重放”，并逐步把记忆“搬运”到大脑皮层长期存档（出处：Rasch & Born, 2013, Physiological Reviews, 第93卷第2期，第681~766页；Wilson & McNaughton, 1994, Science, 第265卷，第676~679页）。这不是比喻：科学家记录到大鼠白天跑迷宫时激活的海马细胞序列，会在睡眠中原封不动地“快进重播”。

两组经典实验最能说明问题：2006年，马歇尔等人用微弱电流节律性地增强受试者的慢波睡眠，次日单词记忆明显改善（出处：Marshall et al., 2006, Nature, 第444卷，第610~613页）；2007年，拉什等人让受试者学单词时闻玫瑰香，睡眠中再悄悄释放同样的香味，记忆巩固效果显著提高——相当于在睡梦中“点播”了白天的课程（出处：Rasch et al., 2007, Science, 第315卷，第1426~1429页）。

图13睡眠中的记忆巩固机制示意（据 Rasch & Born, 2013）

八、写给高中生的六条科学学习建议

把上述研究“翻译”成日常学习策略，就是下面六条建议，每条都有前文介绍的研究作支撑：

1. 当天复习，挡住遗忘陡坡。遗忘在学习后20分钟到1小时内最快（艾宾浩斯，1885），课后当晚花10分钟过一遍，胜过考前突击三小时。

2. 间隔重复，而不是临时抱佛脚。长时记忆需要启动基因表达、合成新蛋白、长出新突触（坎德尔），这套“施工”无法速成。把同一内容分散到几天里复习，效果远好于一次性猛背。

3. 组块化记忆，给工作记忆减负。短时记忆容量只有7±2个组块（米勒，1956），把零散知识点打包成有意义的知识网络（如把减数分裂各时期编成流程图），一次就能“带走”更多。

4. 多通道协同，让更多神经元“一起放电”。看、读、写、讲多种方式并用（赫布规则），字形、读音、意义同时激活，突触连接加固得更快。

5. 保证睡眠，让海马完成“存档”。记忆巩固依赖深度睡眠中的重放（Rasch & Born, 2013），熬夜学习等于亲手删掉白天的学习成果。

6. 给记忆挂“线索钩子”。印迹细胞研究表明，记忆靠线索唤醒；学习时主动建立知识之间的联系（如把激素调节与神经调节对比着学），考试时才有更多提取路径。

结语：与高中生物学的联系

回到我们的课本：选必1第38~39页关于学习与记忆的全部表述——“涉及脑内神经递质的作用以及某些种类蛋白质的合成”“短时记忆与即时信息交流有关”“长时记忆与新突触建立有关”——都能在本文介绍的原始研究中找到出处。教材里一句短短的话，背后是赫布1949年的预言、布利斯与勒莫1973年的兔子实验、坎德尔几十年的海兔研究，以及利根川进团队2012年的光遗传学突破。学完这部分内容，你不仅掌握了考点，更站在了神经科学百年探索的肩膀上。下次复习时，请记得：你大脑里的突触，此刻正在为你“重新布线”。