我们在本书第1节讲到，由大脑皮层折叠的海马及其周边一些区域（例如下托subiculum等区域）与爬行动物大脑一样只有三层。小鼠的海马区还在头顶下方，而灵长类的海马区与内嗅皮层（entorhinal cortex，EC）已经靠近耳后方（图15.1）[1]。笔者认为，灵长类海马体这种与感官、运动等其他皮层区域更为正交的排列可能更有利于多感官协同，后面章节还会涉及；而小鼠、大鼠的感官和运动皮层与海马作用的优先级可能更高。海马的细胞核紧密排列形成一层连续的CA1、CA2、CA3、CA4（cornu ammonis region 1-4）和另一层齿状回（dentate gyrus，DG），新生神经元等后面章节也还会讲到。

图15.1 几种哺乳动物的海马区解剖比较。(a) 大鼠（及小鼠）的海马长轴是背侧-腹侧分布，而猕猴和人类的海马长轴是后-前侧分布（anteroposterior，动物也称喙端尾端rostrocaudal)，旋转90度后一致。虽然还没有严格定义，但是背侧或者后侧更接近扣带皮层（retrosplenial cortex），腹侧或者前侧更接近杏仁核复合体（amygdaloid complex）。(b) 大鼠、猕猴、人类海马(红色) 和内嗅皮层(EC，蓝色)在大脑的分布。(c) 根据Nissl染色的小鼠、猕猴、人类海马纵切面所作的示意图。A, anterior; C, caudal; D, dorsal; DG, dentate gyrus，齿状回; L, lateral; M, medial; P, posterior; R, rostral; V, ventral。CA1与CA3基本平行，中间相对垂直的区域为CA2区，而CA3后面弯进齿状回的为CA4区。来自[1]

 

按照计算机中内存和硬盘的类比，记忆也可分为短期和长期。传统上针对记忆巩固（memory consolidation）的观点是海马体是一个临时存储器，逐渐将“信息”传递给大脑皮层的永久存储器(图15.2)[2]。不可否认，大脑皮层对新信息的存储范式有一个优化的过程(图15.2，本书后文会讲到屏状核-内嗅皮层-海马对皮层信息的网格调用）。但笔者认为，海马体和大脑皮层始终共同发挥着作用--大脑皮层确实有更多存储，而且对应着不同的感官、动作、抽象概念等，而海马体构成跨脑区的索引结构，两者始终在互动中优化（图15.3）。

 

这可以看成是由海马体构建了大脑皮层内存储事物的哈希，存储在大脑皮层的具体信息可以由一个关键词(例如人、地点)加上时间顺序，或者由两个或多个关键词的组合进行定义，并在海马体建立索引。即使是久远的记忆，表现的也只是其在海马中对应的连接随时间流逝而竞争性地变得更为稀疏，而不是完全消失。阿尔茨海默症患者可能中年以后就更难“写入”，而年轻时的记忆还能很快浮现。

 

正常长期记忆的这种稀疏化既节省了海马体和皮层之间的布线（wiring），又是有助于防止灾难性重写的。相关的概念在存储时往往就在相邻位置。比如美国总统拜登在北约峰会上介绍乌克兰泽连斯基时，误说成了普京。作为俄罗斯总统，普京这个记忆节点在拜登大脑中可能是更早建立、而且更大的，就这么脱口而出。老外第一次吃绿豆冰棍，从包装图片到口感，都以为是豌豆，这更反映了大脑现有对绿豆表征的缺失。需要先认识绿豆（图15.3），才能准确地对应过去。

图15.2 传统的记忆整合模型。知觉、运动和认知信息的编码最初发生在几个特定的和关联皮层区域。每个模块代表了一种体验的各种特征，海马体整合了来自这些分布式皮层模块的信息，并迅速地将这些特征融合成一个连贯的记忆痕迹。海马-皮质网络的连接由于重新激活，导致了皮质-皮质连接的逐渐加强。皮质-皮质连接的增加，这样的信息整合最终使新的记忆独立于海马体，并逐渐与预先存在的皮层记忆整合。该模型的一个关键特征是，海马体和不同皮质区域之间的连接强度变化是快速和短暂的，而皮质区域之间连接的变化是缓慢和持久的。来自[2]

 

在小鼠中记忆巩固（形成长期记忆）需要几周时间完成，在人类中由于存在一些小鼠没有的中间神经元类型，可能需要更长的时间来完成这一过程。这段时间里新生成的，被用于存储新记忆的神经元在睡眠期间被优化、调整，以完善网络连接。新生成的突触也需要在这段时间稳定。随着时间的推移，海马体中对已巩固记忆的表征的时间精度降低，同时海马细胞和皮层中细胞都可能积累了与该新增记忆相对应的连接。这样在皮层形成了对被储存信息的长期备份。

 

我们在上一章节讲到，新输入的记忆，不一定意味着需要征用新的神经元来存储，如果大脑皮层与海马体已有的表征明显不足(图15.3，还涉及后面章节讲到的生成器GAN)，也可能优先在已有相关记忆的神经元的亚细胞层面作改变以拟合新输入。树突分支的特定区域可以被用于存储特定的任务，例如果蝇的嗅觉记忆[3] ，运动皮层的锥体细胞[4,5] ，这都与本书第6节提到的树突棘的局部计算这一事实一致。

 

记忆的“信息”不只是稍纵即逝的电信号，海马体也不是内存。上述可迭代的记忆哈希，是一个更自洽、更唯物、有望推动新的软硬件突破的框架，虽然笔者不否认大脑皮层内的连接也会进行优化整理。在记忆的提取过程中，可能是由海马体主导的点对点或者区段性搜索，也可能是由皮层存储的信息先生成了对现有的地点或事件的表征（图15.3，“涌现”一词已偏滥用）。其中来自不同的感官、具有不同爱憎（涉及海马前面的杏仁核等）的记忆在各自的皮层被表征。从皮层到海马体的输入是由树突内计算得出的，这样局部计算的结果可能会也可能不会导致海马体锥体神经元的动作电位。

 

新记忆对应的新突触在几周内形成与优化，新突触可能包括神经元产生的新分支，以及新增的神经元细胞。因此，上述过程中海马体中的哈希函数通过新的经验得到改进，以拟合新出现的事件。大脑皮层的各区域对事物进行了结构化、多感官、多维度的存储。

 

图15.3 在大脑中的迭代反馈哈希，既可以检索，又可以涌现。在英文著作（https://www.jennystanford.com/9789814968782/

neuroscience-for-artificial-intelligence/）已有。待GAN等后续章节进一步阐释。

 

与已盛行数十年的记忆巩固模型认为的海马体在“传递信息”到大脑皮层（图15.2）之后不再参与记忆提取相反，有研究表明海马 CA1神经元的正常活动对快速提取远期记忆是必需的[6]，这支持了前文描述的基于哈希的记忆巩固框架。在恐惧记忆时，前扣带回(anterior cingulate cortex，ACC，常用于慢性疼痛的研究，还涉及强化学习)到海马的信号在提取记忆时非常活跃。如果海马只是一个临时存储器，那上述的神经活动难以解释，而将海马看成是构建哈希的部分，则可解释提取时的海马区的神经活动为何出现。经过药物抑制海马 CA1神经元[7]，则需要较长的时间（30分钟）才能提取出相应的记忆，进一步说明了海马参与记忆的提取。

 

在我们深入记忆的亚细胞水平之前，可以回想一下我们每天不经意间用来检索记忆的关键字有哪些，缓慢的搜索和快速的搜索（如此之快以至于我们可能没有意识到）相比有什么差异。

 

 

参考文献:

[1] Strange, B. A., Witter, M. P., Lein, E. S. & Moser, E. I. Functional organization of the hippocampal longitudinal axis. Nat. Rev. Neurosci. 15, 655–69 (2014).

[2] Frankland, P. W. & Bontempi, B. The organization of recent and remote memories. Nat. Rev. Neurosci. 6, 119–130 (2005).

[3] Yu, Dinghui, Alex C. Keene, Anjana Srivatsan, Scott Waddell, and Ronald L. Davis. 2005. “Drosophila DPM Neurons Form a Delayed and Branch-Specific Memory Trace after Olfactory Classical Conditioning.” Cell 123 (5): 945–57. https://doi.org/10.1016/J.CELL.2005.09.037.

[4] Cichon, Joseph, and Wen-Biao Gan. 2015. “Branch-Specific Dendritic Ca(2+) Spikes Cause Persistent Synaptic Plasticity.” Nature 520 (7546): 180–85. https://doi.org/10.1038/nature14251.

[5] Kerlin, Aaron, Boaz Mohar, Daniel Flickinger, Bryan J MacLennan, Matthew B Dean, Courtney Davis, Nelson Spruston, and Karel Svoboda. 2019. “Functional Clustering of Dendritic Activity during Decision-Making.” ELife 8: e46966. https://doi.org/10.7554/eLife.46966.

[6] Goshen, Inbal, Matthew Brodsky, Rohit Prakash, Jenelle Wallace, Viviana Gradinaru, Charu Ramakrishnan, and Karl Deisseroth. 2011. “Dynamics of Retrieval Strategies for Remote Memories.” Cell 147 (3): 678–89. https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.09.033.

[7] Goshen, Inbal, Matthew Brodsky, Rohit Prakash, Jenelle Wallace, Viviana Gradinaru, Charu Ramakrishnan, and Karl Deisseroth. 2011. “Dynamics of Retrieval Strategies for Remote Memories.” Cell 147 (3): 678–89. https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.09.033.