Saturday, April 04, 2015

歸檔記憶的概念神經元


每個概念,都可能有一組相對應的神經元。



撰文/R. Q. Quiroga, I. Fried, C. Koch
翻譯/謝伯讓

過去數十年,神經科學家一直在爭論記憶究竟如何儲存。目前許多相互競爭的理論中,有一個理論認為,單一神經元可以儲存關於祖母或電影明星等的記憶。另一個理論認為,每個記憶都是由數百萬個細胞分散儲存。最近有些與腦部手術同時進行的實驗發現,某些特定腦區中的相對小群神經元跟記憶儲存有關。此外,這一些小群的細胞可以記憶同一件事物的各種不同面向,例如祖母的臉或身形,或美國明星珍妮佛安妮斯頓的正臉、側臉或聲音。

阿卡希維奇(Akakhi Akakhievitch)是一位傑出的俄國神經外科醫師,他有一位病人想要忘掉令人難以忍受的母親。阿卡希維奇熱心地打開了病人頭殼,並一顆顆清除掉上 千個和他母親記憶有關的神經元。當病人從全身麻醉中甦醒時,失去了所有關於他母親的記憶。成功之餘,醫生欣喜地轉向下一個目標:尋找與「祖母」記憶有關的細胞。

當然,這個故事是虛構的。

已故的神經科學家雷特溫(Jerry Lettvin,真實人物)於 1969 年在美國麻省理工學院對一群學生講述了這個故事,用來說明一個充滿爭議的可能性:只需大約 1 萬 8000 個神經元就可以產生關於事物、親友或其他人的各種意識經驗、想法或記憶。雷特溫沒能夠證實他的假說,而過去 40 年來,科學家也大多戲謔地爭論著「祖母細胞」這個點子。

關於神經元以極度特定的方式儲存記憶的想法,可以追溯到心理學家詹姆斯(William James),他在 19 世紀提出了「教皇細胞」(pontificial cell),認為這些細胞是意識所在之處。

不過這個概念和當時的主流想法背道而馳,當時大家認為有關任何人或物的知覺,都是由數十億或至少數百萬個神經元共同負責,也就是諾貝爾獎得主薛林頓(Charles Sherrington)在1940年提出的「百萬民主」概念:單一神經元的活動是無意義的,只有一大群神經元的集體活動才有意義。

神經科學家一直在爭論是否只需要少數的神經元(數千或更少),就足以呈現單一特定概念,或是需要廣佈腦中的上億個神經元才夠。研究這個問題的過程和結果,讓我們對記憶與意識的運作有了更新的理解,好萊塢對此也有些小幫助。

發現珍妮佛安妮斯頓神經元


幾年前,我們與克雷曼(Gabriel Kreiman,現任教於美國哈佛醫學院)和雷迪(Leila Reddy,現為法國腦與認知研究中心研究員)進行了一些實驗,發現有位病人的海馬回(與記憶有關的腦區)中有一個神經元,會對電視影集「六人行」中的女演員珍妮佛安妮斯頓(Jennifer Aniston)的照片有強烈反應,但卻對其他數十位演員、名人及各種景點和動物毫無反應(如圖上排)。

另一位病人的海馬回中則有一個細胞對演員荷莉貝瑞(Halle Berry)的照片甚至英文名字(在電腦螢幕上)有反應。另有一個神經元則只對美國脫口秀主持人歐普拉(Oprah Winfrey)的照片和名字(在電腦上或電腦合成發音)有反應。還有一個神經元對電影「星際大戰」中絕地武士天行者路克的照片,以及他的名字(無論被寫出或唸出)有反應。

這些結果都是透過直接測量單一神經元的活動才發現的。其他如功能性腦造影(fMRI)等較常見的技術,雖然可以找出受試者在進行某項活動時特定腦區的反應,但卻只能追蹤數百萬個細胞共同消耗的能量,無法定位更小群神經元的活動,更不用說單一細胞了。要記錄單一細胞的神經脈衝,必須在腦中植入比頭髮還細的微電極。這種技術不像fMRI一般普遍,而且只有在某些特殊的醫療狀況下才可能允許在人類腦中植入這些電極。

其中一種狀況就是治療癲癇。當癲癇無法用藥物控制時,病人可能得接受手術治療。醫療團隊必須先找到癲癇的起始位置(癲癇焦點),然後才可能移除該部位來治療。一開始的評估方法是非侵入式的,例如透過腦造影、臨床證據,以及電生理的病理訊號(從頭殼上量到的腦電圖中有密集的癲癇電位變化)。但是當這些方法都不能精確判定癲癇焦點時,神經外科醫師可以在顱內植入電極,持續數天監測分析癲癇的症狀。

科學家有時候會請病人在這段期間參與實驗,並記錄下各種認知活動運作時的腦部變化。在加州大學洛杉磯分校,我們採用了一種獨特的技術,以柔軟的電極來記錄顱內神經元的活動。這項技術是本文作者中的佛里德發展的,參與合作的還包括了加州理工學院的柯霍團隊,以及英國萊斯特大學基洛加的實驗室。

這項技術提供了難得且獨特的機會,可以直接記錄清醒病人的單一神經元活動長達數天,藉此研究各種實驗下神經的活動變化,例如觀看筆記型電腦上的圖片、記憶回想等。這就是我們發現珍妮佛安妮斯頓神經元,以及無意間重新引發雷特溫寓言論戰的過程。

重新檢視祖母細胞理論

珍妮佛安妮斯頓神經元是否就是備受爭議的祖母細胞?要回答這個問題,我們必須先精確定義祖母細胞。有一種極端的說法認為:單一神經元對應單一概念。但是如果我們可以找到對珍妮佛安妮斯頓有反應的神經元,那就強烈暗示還有更多這種細胞,畢竟要在幾十億個神經元中恰巧找到這唯一的一個,機率實在太低了。此外,如果只有一個神經元負責整個關於珍妮佛安妮斯頓的概念,那當這個細胞因疾病或意外而損毀或死亡時,所有關於珍妮佛安妮斯頓的記憶就會消失,這種情況的可能性似乎很低。

另一種較不極端的說法認為,有不只一個神經元對應到一個概念。這個假說可能正確,但卻很難證實(如果可以證實的話)。我們不能無窮無盡去測試所有的概念以驗證該神經元是否真的只對珍妮佛安妮斯頓有反應。事實上,真實情況通常剛好相反:神經元大多不只對一種概念有反應。因此,如果神經元在某個實驗中只對某個人有反應,我們仍無法排除它可能也會對其他某些從未測試過的事物有反應。

例如,在發現珍妮佛安妮斯頓神經元的隔天,我們拿更多與她有關的圖片來重複實驗,結果發現該細胞也會對麗莎庫卓(「六人行」中另一位知名演員)有反應。此外,對天行者路克有反應的神經元,對尤達(另一位絕地武士)也有反應;另外有一個細胞對兩位籃球選手有反應,還有一個細胞則對本文作者之一(基洛加)以及一些在加州大學洛杉磯分校中和病人有互動的同事有反應。

在比較寬鬆的條件下,你仍可以主張這些細胞是廣義的祖母細胞,換言之,它們可以代表「『六人行』中的金髮女子」、「絕地武士」、「籃球選手」或者「與病人互動的科學家」。

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Quian Quiroga R., et al. (2005). Invariant visual representation by single neurons in the human brain. Nature, 435. 1102 - 1107.

【科學人2013年第134期4月號】
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