在人类探索大脑奥秘的历程中,记忆的生物学基础一直是神经科学领域的核心课题。突触可塑性与记忆假说(Synaptic Plasticity and Memory Hypothesis,简称SPM)作为神经科学的支柱理论,主张记忆的形成与储存依赖于神经元之间连接强度的变化。然而,随着分子生物学技术的发展和新实验证据的涌现,传统SPM假说正在接受越来越多的质疑与补充,神经科学家开始重新审视记忆的多样化储存机制。聚焦在此处,将系统梳理突触可塑性与记忆假说的基本内涵、历史沿革,深入剖析其必要性与充分性的争论,并探讨细胞及分子层面作为辅助甚至独立的记忆形成机制的可能性。突触可塑性假说认为,神经元之间的连接点 - 突触 - 会因神经活动的频繁或持续而发生强弱调节,这种活动依赖的变化被视为长期记忆的物质基础。其核心观点是记忆形成本质上是突触连接权重的动态调整,依据"神经元同时激活则连接加强"的赫布定律(Hebb's rule),这些连接权重调节赋予神经网络以信息存储和学习的能力。
而人工神经网络(ANNs)的成功模型也大多基于调整权重的训练机制,这进一步增强了SPM假说在理论和实践模型中的影响力。SPM假说并非一日之功,其根源可追溯至十九世纪末柯赫和拉蒙·伊·卡哈尔的神经可塑性研究,随后二十世纪中期的唐纳德·赫布进一步系统化地提出学习与突触强度变化的关联。直至上世纪七十年代,长期增强(LTP)和长期抑制(LTD)的发现使得突触权重的持久改变成为分子层面记忆基础的代表现象,极大推动了SPM的广泛接受。在过去的数十年里,SPM假说成为神经科学研究的主流范式,指导了大量实验设计和理论发展。但这一假说的"必要性"和"充分性"遭遇日益强烈的批评和挑战。首先,突触权重变化是否为记忆形成的唯一必需条件?实验发现,单纯破坏某些突触连接并不能完全抹除相应的记忆,甚至在模型生物如海蛞蝓中,通过RNA注射使未经训练个体表现出训练个体的记忆反应,暗示记忆有可能以非突触的分子机制存在,且独立于突触联系。
其次,突触结构的动态不稳定性也引发了人们对其长期存储功能可靠性的担忧。研究显示,大量突触上的树突棘在数周甚至更短时间内发生生长和消失,而人类的记忆有时能维持数十年,这似乎与突触本身持续保持记忆信息存在矛盾。面对这些疑问,神经科学界逐渐提出细胞过程记忆假说(Cellular Processes and Memory Hypothesis,CPM),主张除了传统的突触权重变化,细胞内的分子及遗传机制、表观遗传修饰、蛋白质翻译后修饰及基因调控网络的动态稳定性也参与记忆的长期维持和检索。CPM假说认为,诸多细胞内分子信号通路、RNA以及蛋白质构型状态的变迁,为记忆提供了一个除突触外的第三维度存储空间。此外,诸如单细胞动物所表现出简单的"习惯化"行为,进一步佐证了神经突触以外的记忆储存路径的存在。关于记忆的定义,CPM呼吁采用更宽泛的信息存储与激活视角,将记忆理解为系统状态的改变,这些状态能够影响有机体未来的行为反应,更贴合进化层面记忆的多层次性质。
对于心脏移植病人表现出的奇异"记忆"甚至"个性"变化报道,则成为CPM假说讨论的催化剂。这些案例虽备受质疑,却提示了记忆可能并非完全局限于大脑的神经元网络,身体其他组织甚至可能存储影响行为的分子信息,呼吁神经科学跳出神经元突触范畴,探索包含神经和非神经细胞在内的全身系统记忆机制。这种视角的扩展对脑科学带来革命性启示,不仅丰富记忆形成的多元机制,也有望推动记忆障碍治疗的创新思路。尽管SPM假说依然是理解认知与行为的重要框架,其局限与未解之谜激励未来神经生物学方向朝向多机制协同的综合模型发展。当前,科学界积极开展如细胞核DNA甲基化、蛋白质修饰、多层次表观遗传学等研究,以期揭示分子基质如何与神经网络互动,共同维系复杂的认知功能。未来神经科学的突破可能来自对这些非经典记忆机制的细致解码,推动医学技术实现对记忆的精准修复和优化。
综上所述,突触可塑性与记忆假说奠定了我们对大脑如何实现学习与记忆的基础认知,然而,随着新证据的不断呈现,我们应以宽容且开放的态度,审视其限制与不足,积极探索细胞及分子层面记忆机制的多样性。神经科学的未来,期待每一次跨越范式的突破,都能深刻揭示人体乃至更广泛生命体记忆的真相,推动人类认知与生命科学的飞跃发展。 。
