雷光文教育论文网〉〉科学教学与研究〉〉人脑系统结构及其记忆功能〉〉lgw-jy-kxjyyyj-rnxtjgjqjygg.htm071021-2131（字数6041）
人脑系统结构及其记忆功能
The system structure of brain and memory storage
Lei Guangwen
原创作者：雷光文（全国新思维作文研究员，全国中小学写作教育骨干教师，全国中小学写作节初中组特等奖辅导者，全国新思维作文大赛金奖辅导者，中国教育学会会员）
代表著作：《人脑系统结构及其记忆功能》发表于《科学技术与辩证法》杂志，《中国知网》（国家教育部主管，清华大学主办）提供原文下载。
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【内容提要】本文试图打开人脑系统这个黑箱，使它逐渐变为灰箱乃至白箱。
The paper deals with the system structure of brain and its effects upon AI. Studies of brain structure are of crucial significance to understandings of AI,and simulation of brain and brain model made in AI.
人脑系统结构的研究，对我们认识人类智能的本质和规律，具有决定性的作用；对人工智能中，在人脑结构的模拟、制定人脑模型方面，具有重大的意义。
一、人脑系统功能结构
人脑系统包括：
1、
信息输入子系统Sr
2、
信息储存子系统N
3、
信息反应子系统P
4、
情感意志子系统E
5、
信息输出子系统Sc
人脑系统的功能结构，如下图所示：
图中，信息贮存子系统N分为三个部分：
1、
瞬时贮存S
2、
短时贮存D
3、
长时贮存C
其中，长时贮存（即长期记忆）的形成，要经过人脑的海马HM区域，才能合成长期贮存的信息载体。长期贮存的信息载体。有可能向本能区BN渗透，而遗传给后代。
二、长时信息贮存，能合成新的信息载体
人的脑细胞数量，在出生后，一般是固定不变的。但在胚胎期间，如果营养条件好，则脑细胞的分裂次数可能多一些。脑神经的轴突和树突，大部分是在出生后逐渐增长的，其增长条件之一，是后天的学习和智慧活动。
1962年，瑞典神经科学家海顿（Holger hyden），报告了一项惊人的发现。他说，训练鼠爬钢丝，经过一段时间后，它们脑中记忆走钢丝的控制平衡的脑神经细胞，在数量上有所增加，且组成也有变化，含有的核糖核酸增加了20%。核糖核酸是传递遗传指令的。它的主要功能是合成蛋白质。核糖核酸最后导致新的信息载体——脑蛋白质的合成。
美国德克萨斯州的贝勒大学医学院药理学研究组，匈牙利出生的神经化学专家安格教授（Georges Ungar）等人，在1970年～1974年做了一些有趣的实验。实验是这样进行的：
将大鼠放在一个有分隔的笼子里，它们既可以走向明亮的隔室，也可以走向黑暗的隔室。在一般情况下，大鼠喜欢黑暗。然而，当大鼠一走进黑室，便会遭到电击。在吃过几次苦头之后，大鼠便躲开黑暗，它们将这“学得的知识”记忆在脑子里。研究工作者在教会大鼠对黑暗的恐惧之后，便试着去分离脑内携带这一信息的化学物质。花了几个月的时间，对4000只鼠脑进行提取后，他们成功地分离出一种叫做恐暗素的15肽。氨基酸顺序为：
丝-天冬-天冬酰胺-天冬-谷酰胺-甘-赖-丝-丙-谷酰胺-谷酰胺-甘-甘-酪-CONH2
氨基酸，是一些含有氨基的有机酸，它是组成蛋白质的单体。最简单的氨基酸是甘氨酸，它的分子结构式是：
肽，是氨基酸的氨基，与另一个氨基酸的羧基，缩合失水所形成的化合物。由15个氨基酸缩合而成的化合物，称为15肽。蛋白质是具有一定构象的较大的多肽。多肽是蛋白质分子结构的基础，但是，蛋白质的结构远比多肽复杂得多。
安格等人以极微量的恐暗素，注射到并没有经过“恐暗”训练的小鼠脑内。当小鼠注射了这种恐暗素15肽后，令人惊异的现象发生了：这些小鼠不再像他们正常时那样寻求黑暗，反而拒绝进入暗处。在注射以前，对3000只小鼠的试验证明，它们平均有70%的时间呆在暗处。注射以后，呆在暗处的时间下降到只有10%，而且大多数小鼠，根本拒绝进入暗处。
安格等人认为，他们已把“学得的知识”从大鼠转移到了小鼠。他们解释说，构成恐暗素15肽的氨基酸分子，就像是字母构成了词，并且可以把信息从一动物转移给另一动物。
恐暗素15肽的氨基酸排列顺序，用缩写形式表示，则为：SDNDQQGKSAQQGGY
这15个字母的排列，就构成了一个“单词”——恐暗。由这15个氨基酸构成的信息载体——恐暗15肽，所包含的信息（或知识），就是对黑暗的恐惧。
信息进入人脑，由瞬时记忆区、短时记忆区进入海马区域。由于信息的作用，海马区域游离的氨基酸即合成为多肽，形成包含有该信息的信息载体，再转移到长时记忆区域。
运用微量分析技术，证实了动物通过学习产生记忆之后，单位脑组织或脑组织块中RNA（核糖核酸）和蛋白质的含量都有明显改变，这是因为通过学习形成的长期信息贮存合成了新的信息载体。（张晨鸥，学习记忆与物质的关系，自然杂志，82年11期）
三、抑制信息载体的合成，会阻碍长期记忆的形成
在脑中神经递质含量不变的情况下，使用RNA和蛋白质合成代谢抑制剂，可以阻碍长期记忆的形成。新的印象，即瞬时记忆S和短时记忆D仅在数秒内形成，这些印象如果不能在信息贮存区域N的海马HM中，被某些化学过程所固定，合成稳定的信息载体，那么，很快就会消失。这很有点像摄影底片要经过定影一样。
就鱼类而言，金鱼是相当聪明的。它们不必花费很多的时间，就能学会利用光作信号来逃避电击。实验是在长方形的水池中进行的。数十条小金鱼，经过40分钟的训练和学习之后，只要一开灯，它们就纷纷游过水池中央的障碍物，躲到另一边去，以避开即将发生的轻度电击。通常，它们能记得这项技能至少可达一个月之久。
为了抑制金鱼脑中对这项技能的长期记忆，奥格诺夫博士发现，他必须在金鱼受训完毕之后，在新的信息载体形成之前，立即向金鱼脑中注射嘌（piao）呤（ling）霉素。
嘌呤霉素又称P-638，是一种抗菌素，白色结晶，难溶于水，易成为水溶性的双盐酸盐和单硫酸盐，是一种能阻碍蛋白质形成的蛋白质合成代谢抑制剂。
如果在金鱼受训之后1小时才注射嘌呤霉素，那就为时太晚了，因为记忆已经固定，即新的信息载体已经合成，进入了长时记忆库C。若在金鱼受训后半小时进行这种注射，则有中等效果：有些金鱼记得，有的则不记得。即只有部分金鱼合成了比较多的信息载体。
奥格诺夫博士对数以千计的金鱼，进行了这种类似的试验，都获得了相同的效果。他认为，信息从大脑的输入系统Sr，进入贮存系统N，并且得以巩固，形成长期记忆C，必然伴随有一种新的信息载体——蛋白质的合成。而且这种新合成的蛋白质，必然是在新记忆形成的1个小时左右在海马内合成的。由于蛋白质合成代谢抑制剂嘌呤霉素，能够阻碍新的蛋白质的合成，所以，能够使金鱼所学的的技能不能形成长期记忆。
用RNA和蛋白质合成代谢抑制剂，可抑制新的信息载体的合成，这一科学成果不能不会引起军事情报人员的注意，因为利用这种方法，可以消除某些人刚刚知道的还未形成长时记忆的军事秘密。一位记者曾半开玩笑半认真地询问奥格诺夫博士，美国中央情报局是否留意过他的研究工作，奥格诺夫微笑着很有技巧地回答：“我忘记了。”他郑重地指出，他的实验仅仅限于鱼类；这些化学物质对人类可能是致命的；他从事这项研究的目的，仅仅是为了探索关于记忆的奥秘。
与RNA和蛋白质合成代谢抑制剂嘌呤霉素的药理作用相对立的是腺（xian）苷（gan）。如果把与抑制剂相拮（jie）抗的腺苷，一并往动物脑中注射，则RNA可以照常合成，即看不到记忆障碍了。
四、信息载体分解剂能抹去记忆
在1962年前后，康龙（Cornlong）和约翰（John）发表了这样一个实验结果：即把进行过学习的蜗牛的一部分，放在能分解RNA的酶溶液中，待破坏了RNA后，在再生的个体中，原来的学习就不再保持了。
对于高等动物来说，能抹去以往记忆的分解剂，起有效作用部位，应该是在长期记忆区域C中。
五、新信息载体的合成过程，是在海马内进行的
由本文所描绘的人脑系统功能结构图可以看出，信息输入通过瞬时记忆S进入短时记忆D，在进入长时记忆区C时，还必须途经海马HM区。海马区是长时记忆信息载体的合成场所。如果海马结构损坏或完全切除，则长期记忆难以形成或根本不能形成。
为了论证这一观点，我们首先引用一份材料（Wray Herbert，对记忆的研究，美国科学新闻，1984年第15期）：
M原是一位大学生，在一家机电制造厂工作。他7岁时头部曾轻度受伤，不久就开始了严重的癫痫病，每星期发作一次。发作时发生可怕的痉挛，并失去知觉。后来，他的癫痫病愈来愈严重，发作也愈来愈频繁，以致无法工作。
有一位神经外科医生，名叫斯科维尔（William B.Scoville），曾因发明一种“皮层下部切除手术”而著名。他建议为M切除颞（nie）叶。M的父母在绝望中，只好同意斯科维尔医生的建议。
在局部麻醉下，斯科维尔为M切除了左右两边颞叶，并深入切除了脑的边缘系统。手术看来是成功的，因为他的癫痫发作大大减少了。
可是，不久之后发觉，M的记忆能力丧失了，不能形成新的记忆。一切事情，哪怕是不久前才遇到的，对他来说都是陌生的。
M手术后20年，没有形成任何新的记忆。他虽然能够阅读，但读过的内容有如过眼烟云，很快就消失得无影无踪。但对于手术前的许多事情，他的记忆仍然是清楚的。
M的病例公诸于世后，一位脑外科专家米尔纳（Brenda Milner）教授，对M作了一系列的检查与研究。他发现新记忆的形成，主要在于脑的边缘系统几平方厘米的范围内，这个部分是一个小小的像海马形状的结构，大约3厘米长，名为“海马”。如果颞叶切除手术刚好在海马前终止，即保留了海马时，病人的记忆则完全正常；如果两脑半球的海马都受到破坏或切除，则新的记忆能力就会丧失。
自从M接受了这样的外科手术后，许多脑科学专家曾研究过他，发现他的智力和知觉能力仍然完好无损。在手术前他所记忆的事情，仍然能完全记得。不过，至今仍有许多复杂的问题未能解决。例如：M在高级智力测验中，为什么能得到很高的分数呢？是什么使他能记起约15分钟内发生的事情呢？又是什么使他能清楚地记得童年时代的事情呢？
上述材料所提及的几个疑难问题，都可以用“新信息载体的合成过程，是在海马内进行的”这一观点作出解释。海马的功能之一，是新的信息载体合成的场所。海马切除后，新的信息载体不能合成。学习仍可以进行，但不能形成长期记忆。至于M能记忆15分钟内发生的事，是因为新的信息载体的合成，大约需要1个小时，记忆15分钟内的事情，不必要合成新的信息载体。M之所以能回忆起童年时代的事情，是因为童年时代所形成的信息载体合成后，已转移出海马区域HM，进入长期记忆区域C了。M在高级智力测验中能获得高分，说明人的信息载体合成过程，需要在海马内进行外，其它诸如知觉、学习、思维等活动，均与海马的存在与否，没有多大的关系。
六、学习过程不需要合成信息载体
学习过程是信息获取的过程。外界信息通过人脑的信息输入系统Sr，进入人脑的信息贮存系统N，首先是形成瞬时记忆S和短时记忆D，有效的学习，并不一定需要形成长期记忆。
学习与记忆，是一个连贯行为的两个部分。学习，是信息的获取；记忆，则是信息的贮存。长期记忆的形成，必然伴随着新的信息载体的合成，而瞬时记忆和短时记忆，及在此之前的学习过程，则不必合成新的信息载体。
本文所提到的M先生，由于切除了海马，在手术后20年里没有形成任何新的记忆。他虽然能够阅读、学习、获取信息，但他阅读过的内容、获取到的信息，却有如过眼烟云，一点也记不住。
切除了海马的M先生，失去了长期信息贮存的信息载体的合成场所，他再也不能形成新的长期记忆了，但他仍然可以进行学习、思维活动。这说明学习、思维活动，与海马区域是没有直接关系的。在笔者建立的人脑系统结构功能图中，也表明了这一点。
信息载体合成的药物抑制剂，其药理有效作用部位是海马区域。它只能阻碍新的长期记忆的形成，但不会影响学习过程。使用药物抑制记忆过程的阻断实验表明，学习的保持，即长期记忆的形成，将受到明显的障碍，但学习仍可以正常进行。
通过实验研究和理论推导，可以得出结论：长期记忆的形成，其必要条件，是新的信息载体的合成；而学习的过程、信息的获取，则不必合成新的信息载体。
七、切除海马会使原有的长期记忆遗忘加快
本文人脑功能结构图中，瞬时记忆库S，短时记忆库D，都有双向的信息交换关系。但为什么长时记忆库C与信息反应库P却只是单向联系呢？笔者认为，由于信息反应库P从长期信息贮存库C检索信息，但信息反应库P中的信息，并不反馈给长期信息贮存库C，而是通过瞬时记忆库S和短时记忆库D，通过海马HM后，再进入长期记忆库C的。如果海马切除了，长期记忆库中的信息得不到反馈强化，则会因为信息载体的分解代谢，而使长期记忆遗忘加快。
上面所提到的M先生，由于海马已被切除，他对一部分旧事的回忆，特别是手术前几年发生的事情，比其他人遗忘得更快些，并会明显地失去性欲。
笔者认为，假如人类大脑中失去了海马结构，那么，人类的本能行为都将丧失殆尽，这一论点，可以用动物实验来作验证。
八、包含有知识的信息载体，可以人工合成
人脑能合成包含有知识的信息载体，人工也能合成包含有知识的信息载体。
美国神经化学专家安格的试验证明，长时记忆能合成新的信息载体，并且这种信息载体可以提取和转移。那么，这种包含有知识的信息载体，是否可以人工合成呢？
于是，安格请求一位化学家帮忙。不久，这种恐暗素竟然用人工的方法在实验室合成了。安格将人工合成的恐暗素注射到正常鼠的脑中，这些鼠真的像接受了恐暗训练的鼠一样害怕黑暗了。
信息载体的人工合成表明，也许有一天，人类将会采用注射的方法来获取知识了。（字数6041）
