人的大脑是如何记忆东西的?知识是怎么储存在大脑里的?

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在这个问题中回答了zhihu.com/question/2063

发现会跳到这个问题中来,我就复制一下答案吧。

补充:
记忆这东西太复杂了,时间上还好分类。其他角度就有更多问题了。除了下问题提及的『动作程序性记忆』。——其实教材原文是『程序性记忆』,与『陈述性记忆』相对;但是因为我认为语言的使用和记忆应该和动作不同所以增添了『动作』一词。人的语言使用也涉及记忆问题,甚至回忆事件本身也可能是一种语言重组或创作的过程。人如何记忆情绪体验也是个有趣的问题。
此外~还有『外显记忆』『内隐记忆』;以及『情景记忆·』『语义记忆』。因为记忆涉及的心理过程和现象实在太多,这个问题就连我这个初学者都能看出来是个『天大的坑』。每个小坑都够人钻研大半辈子,小坑中的小问题估计也能够写好几篇论文了,知乎上够开N个问题了——而且估计都不会有完美答案。

——————————————————我下面是原文————————————————————
按照现在对记忆的分类,可以分为三类
①瞬时记忆,又称为感觉记忆OR感觉登记——也就是你现在看到、听到感觉到的一切信息在人脑中的反应。
②短时记忆——请你现在回忆看这个答案前你再看什么?这就是短时记忆,一般持续15~30秒。(没有复述的情况下)
③长时记忆——也就是一分钟以上的记忆,最长可以达到终身。
以上定义皆来自于《普通心理学》北京师范出版社·彭聃龄。国外教材以及其他学者定义如何,暂且不知。

问题中所说的『物理形态』和『架构』并不是心理学上习惯性的用词,不过相信大家都明白是什么意思。『翻译』一下吧。『物理形态』或许可以对应『脑中化学物质』,『架构』或许可以对应脑神经机制。

记忆的脑细胞机制现在就我所知有也有三种——也就是『架构』有三个层次

①反响回路
简单说就是人脑神经细胞形成了一种『环路』。可以简单理解为是『—0—』这样的,实际上应该要复杂很多,我所读的书没有细述,欢迎医学专业的补充。
我们可以很直观的看到,既然是一个相对闭合的路线,那么神经冲动就可以自己不断的循环而持续着。这就使得『信息』有了持续存在于脑中的可能,信息的持续存在——不就是记忆吗?
那么这个反响回路在记忆中的作用是呢?我认为它对应的是短时记忆。
有实验为证——科学家们又找上了可怜的『小白鼠』。这个实验简单来说是这样的有AB两组小白鼠。
A组呢,放在高台上,由于高台不好站,小白鼠就会跳下来——这时候邪恶阴险的科学家们就电它!反复几次后,科学家们发现小白鼠会努力在高台上保持不动。显然,小白鼠学乖了,知道下面有电。科学家们没有就此放过小白鼠,而是给这些『学乖』的小白鼠施加强力的电击!——电晕!专业说法——电休克!虽然观察发现,经过『电击治疗』的小白鼠并没有克服对往下跳的恐惧——它还记得下面有电,不敢往下跳。这说明,电休克没有破坏它已经形成的长时间记忆——下面有电!危险!勿跳!
B组就更悲剧了。除了跳下去被电一次,万恶的科学家们在它们每次爬回高台的时候立刻马上迅速的给它强力电击——电晕它!
你猜怎么着?B组的小白鼠无论被电多少次,它都还是依旧从高往下跳……。对比A组的结果,邪恶的科学家们得出了结论——短时记忆是依靠反响回路存在的。因为电休克破坏了反响回路,造成了『失忆』。既然短时间记忆都记不住了,也就形成不了长时间记忆,所以小白鼠老是学不乖,无论往下跳被电了多少次,它还是会往下跳——因为每次被电完之后的另一次电晕,使得它完全忘记了刚刚跳下来时被电了。

②突触结构
所谓突触结构,就是某些神经细胞之间本来没有的联系,现在形成了新的突触而有了联系。同样还是小白鼠,科学家们把AB两组小白鼠放在环境多变和环境简单的两种环境中。后来发现他们的大脑皮层重量、神经细胞间的连接数量有不同——聪明的各位知友一定很容易可以猜出来——环境丰富的皮层更厚,连接更多。
拿着一部分对应的是哪一种记忆呢?——我不能确定,书上也没有写。不过根据实验描述,这显然属于长期记忆——问题是,有多长?对不起,暂时不知道。在这里我吐槽一下——我觉得长时间记忆本身可以在细分一下。可惜我看的教材都没有细分。

③长时程增强作用
有些心理学家相信,长时记忆会伴随着大脑解剖结构的变化。所谓解剖结构的变化,就是一刀切开脑子比较明显的可以看到变化——而不像是上述的突出结构,需要借助显微镜什么的。这也有实验证明,不过这次倒霉的是猴子。Merzenich(这名字像是德国佬?)做了一个实验,让猴子用三个指头触摸东西,重复数千次——泥马,真不知道他为了猴子多少香蕉?——随后发现猴子大脑主管三个指头的皮层明显扩大了。
而长时程增强作用,对应的缩写是LTP,它特指大脑中『海马体』中一系列短暂的高频动作电位。简而言之呢,这东西就是一个中转站,你可以理解为是密集的反响回路。教材上有点含糊其辞它的原文是『它只对受到刺激的通路起强化作用』——听这个意思,应该是说这个『海马体』就像是电池、持续加速器、监工——它能能够让刚刚起了作用了『反响回路』一直持续运作。这种作用可以持续几个小时甚至几周,然后再将信息传送到其他脑区成为了持续更久的长时记忆储存。
有些病人海马体受损,所以他们就没有长时间记忆,你跟他说的话,一两分钟之后他就忘记了。也就印证了上述机理。
『架构』说完了,下面说『物理形态』。

记忆的生物化学机制——也就是题主所说的『物理形态』吧。


教材上提及的有『核糖核酸』,也就是DNA和RNA。另外我在杂志上看到的则是蛋白质。简单的说这都是些大分子。那具体怎么利用大分子储存信息——这才是关键问题。就我所知这方面的研究还很少,至少我从未见过细述的。究竟大脑是怎么利用这些大分子储存并且快速的提取信息——这就是最难的问题了。毕竟大分子的结构怎么被大脑『扫描』呢?人脑总不可能有电子显微镜般的功能吧。另外,什么样的结构对应什么样的记忆,这也是个难解的问题。

教材上提及的另一些化学物质,则是一些激素。比如肾上腺素、皮质类固醇等,研究法发现适当的激素会增加记忆的牢固和形成效率,太多就有反作用。但是这并不是说这些激素直接作为储存载体。或许我们可以理解为:这东西是个加电压的。日常生活中的一些体验也能证明这点。比如人总会记得特别开心和特别难过的记忆——这些强烈的情绪往往伴随着激素分泌。有些时候人会由于过于愤怒、悲伤地经历导致了回忆困难。——电影上常表演的,简单说就是被吓傻了,什么也记不得。总而言之,适当加电压有助于工作,加太多恐怕要死机了。淡定,还是很重要的。

好了,教材上能提供的我都提供了。接下来我要说的则是我认为更重要的、更深入问题。下面内容包含大量个人假设、理解、猜想。

首先解释一下,为什么反响回路是短时记忆的基础,而不是感觉登记。教材上并没有细说。然而我觉得这个问题十分重要。感觉登记到底是什么负责的呢?我认为它跟脑中的所有因为刺激而引起的神经冲动有关。也就是不管神经冲动是否是一个『反响回路』,只要存在,它就是感觉登记的基础。感觉登记的另一重含义就是——你能意识到你看到的、听到的、闻到的等等。同时你意识到了你自己意识到了这些。——有点晕?多读几次。总结而言,这个问题跟我们『自我意识』有着密不可分的关系。如果人的自我意识是由某个脑区或几个脑区负责的,那么感觉登记就可以分为两个过程,以视觉为例:①眼睛后的神经线路连接到枕叶某脑区,产生了一系列神经冲动。②这些神经冲动转移到了其他脑区从而使得人『知道自己感觉到了』。也就是说你看到的东西进入了你的『意识』。之所以有这个猜想,是因为有一种『盲视』现象。Weiskrantz(又是德国人?)前辈发现,脑17区(自己百度吧)受损的病人视野中会有一大块『黑色』啥也看不见。有趣的是,如果在那块区域内放些东西让病人猜,他猜对的几率极高,远远高于闭上眼睛瞎猜。这就说明,有些信息的确是被『看到』也进入了大脑,但是没有被『意识』所意识到。


关于感觉登记,我还有另一个猜想:感觉登记所反应的并不是百分之百当下的『信息』,它也涉及了对长时记忆的某种提取,或者说是一种集体潜意识记忆的提取。可以看这个答案zhihu.com/question/2008。很长非常长。基本上它说明了一个可能『人的感觉不仅仅来自于五官信息的输入,还来自于脑中信息的提取』。有些研究表明,比起我们感觉到的多样性和精细程度,其实五官直接输入的信息是非常简陋的,简陋到我们难以理解——大脑是怎么拼凑出那么多姿多彩变化万千的『感觉』的?
所以我猜想,感觉登记本身也涉及了某种长时间记忆,或者『集体潜意识』的提取。『集体潜意识』是荣格提出的,请看百度baike.baidu.com/view/40
简而言之,有可能是出生之后的十年内,大脑通过和外界信息的交流,不停的『脑补』制造出很多不由五官直接提供的信息给自己,加上遗传中本就有记忆——五官输入的信息其实是一种『搜索指令』简单的指令输入大脑,大脑根据经验最大程度的『还原』外界从而有了『感觉』。


关于突触结构,我的理解是——它很可能跟技能和行为的长时记忆有关。累积到一定程度,会有明显的解剖结构变化。比如那个三个指头摸盘子的猴子。这个观点倒是不难理解,也不少见。初中生物就教过,左右脑分工不同。我这里想说的更清楚一些。依旧是一些自己的猜想和理解。
为什么行为和技能的长时间记忆我不认为跟大分子有关呢?或者说,为什么不是以大分子作为储存的物质基础呢?原因在于:人的行为首先肯定是大脑控制的结果,也是一系列神经冲动。我们可以设想,完成一套体操动作的对应的脑神经冲动过程是大致不变的。既然动作技能要快速的被提取和应用出来,就不能只是借助于『意识』而要练到『自然』的程度。专业术语叫做『程序记忆』。如果这些记忆不是用『特定神经突触网络结构』去储存,而是用『大分子』储存,提取的效率显然会低很多。——而且我前文说过了,大分子具体怎么作为记忆储存载体,怎么被提取信息?这些本身就是个难以想象,我也没有看过任何有关的研究。而用神经网络结构去理解,就很容易了。
打个比喻,这就好比WOW里面的自定义『宏』,花了很长时间你去设定那几个技能按照什么顺序释放,但是下次用起来都很方便了。你再也不用一个个技能去点了。又好像你弄了一个程序,开机自动运行,这个程序又会按照顺序启动『系统原本自带』(也就是你脑子里本来就有的基础运动技能)的其他程序完成任务。这种『宏』、这种『调动其他程序的程序』——就是新形成的神经网络结构,新的突触结构。

从另一个角度说,这种动作技能都需要很长的时间才能够达到『熟练自然』的地步。这和我们日常经验也相符。相信大家都会发现——你背一段文字所花的时间,远远要比记住一套动作来得短。但是相对的——动作只要记住了,动作技能掌握了基本上终生不忘;而文字、知识、场景的记忆却相对忘得很快。为什么呢?
就现有的资料来说,人的脑神经细胞是长到一定数量后就不增长了,但是突触可以增长、减少。所以这种『新突触结构』的基础没有意外的话是不会失去的。它自然比DNA、RNA、蛋白质等东西要更持久。而且从数量、体积上来说,一个神经细胞突触的增长本身就包含很多蛋白质、DNA、RNA的生成。数量一多,长得就慢,消失的也慢。从日常经验而言,我们会发现老人由于大脑开始萎缩,一些年轻时候熟练的技能可能慢慢退化了。极端的情况下的病态退化甚至会遗忘基本生活技能——俗称老年痴呆,说话、写字全部不会了。我所见的资料和自己的理解是:这是因为神经细胞死亡,以及连接失效导致的。

最后,扯淡一下『大分子』在长时记忆——非动作技能记忆而是文字、场景、事件记忆上的作用。我认为这些大分子的作用可能并不是在分子层面上用分子结构来记录信息,而是作为一种『标签』标注了刺激特定神经网络结构的顺序。通俗点讲,我们每一次回忆是一次重新的『创造』过程,基本原料就是一些非常基础的感觉记忆和『集体潜意识』里的信息。这就能够解释为什么很多人的记忆可以被篡改,长时间记忆是不可靠的。也能够解释为什么我们回忆事物可以达到『快速』的程度,并不是比做出一套已经学会的动作的反应速度快。我猜想——因为长时间记忆本身在『重现』过程中所用到的『基本感觉记忆』也是借助神经突出的结构去记录的,而大分子的作用就是标注顺序。到时候按照顺序来就行了。夜深了,我也经写了两个小时了,不举例不细说了。
至于这个标注和识别标注、信息激活整合的过程是怎么样的——这些更深层更基本更重要的问题——以我现在浅薄的知识我想不出来,想象力也不就不方便发挥了,先去做个梦。

扯淡完毕。如果哪位专业人士、前辈在相关论文上看过类似的观点,请给我个连接细读。吾道不孤~。


以上一些靠谱信息都来自于《普通心理学》·彭聃龄。一切扯淡信息都来自于本人大脑的临时组合。
Pirate Henry和曹怀宁已经答得不错了。我稍微补充一下。

感觉问题主要是问长期记忆,那么长期记忆又分显性和隐性。
显性的是可以用语言描述的,比如个人经历(autobiographical memory),场景和情节(episodic),以及语义(semantic)记忆
隐性则无法用语言描述,其中最重要的是procedural memory(比如骑自行车的能力)和topographical memory(认路的能力)

另外Pirate Henry在3、4两点稍微欠推敲。
关于3. 记忆是神经元的某种属性。它的存储方式有很多种,比如突触的形态,突触位置,突触内受体的密度及特性等等。但是需要指出的是这些变化对皮层内所有神经元都适用。而非海马的特权。换句话说海马并不是记忆的全部。尤其是procedural memory,和MST关系更紧密。

关于4. 网络无时无刻不在变动,并非所有变动都会带来记忆的丧失。记忆的表现形式是某个初始刺激,可以是内源的(比如想到某事),也可以是外源的(比如看到某物)触发意识活动。当网络结构渐渐变化达到某一个阈值的时候,初始刺激就无法引起大规模的皮层活动了。此时,即曰忘记。