聪明老鼠：被操控的学习能力

你好，欢迎来到生命科学50讲，我是王立铭。

这一讲，我们继续讨论学习。这一讲的话题，我相信你一定感兴趣，我们来聊聊怎么变聪明。

在前面的几讲里，我们已经知道了学习的微观本质是赫布定律，也就是单身派对定律。简单来说，就是两个神经细胞如果总是同时被激发，它们的联系就会被增强。那么，我们有没有办法人为地增强这种联系，让学习更容易，让动物和人更聪明呢？

突触：学习的微观形态

为了回答这个问题，首先我们得知道神经细胞之间的这个联系具体是什么，而看清这个联系并不容易。

虽然细胞学说在19世纪被提出，20世纪初人们也普遍接受这个学说，但是说起来很有趣，这个学说有一个天然的禁区——那就是大脑。

人们还是觉得，大脑这东西实在太神秘、太复杂了，很难想象它也是由一大堆细胞组成的。

所以关于大脑，人们提出了很多替代理论来解释，觉得它里面都是弯弯曲曲的水管和阀门，是四通八达的信号网，就是不像一个一个独立的细胞。

在世纪之交，我们反复提到过的西班牙人卡哈尔提出：其实复杂的大脑，也一定是由众多的细胞组成的。

但是不知道你意识到没有，卡哈尔这个学说要成立得有一个前提，他得解释一下如果大脑真的是由许多个细胞形成的，这些神经细胞之间又是怎么建立联系的？

如果神经细胞之间没法建立联系，完全各自为战，那一盘散沙的大脑就根本没办法处理信息，没办法指挥运动，更没有可能产生智慧了。

针对这个问题，卡哈尔给出了他的猜测。他说，神经细胞之间当然是有联系的。我们已经知道，神经细胞会长出树丛一样的树突，和长长的轴突。

前一个细胞的轴突和后一个细胞的树突之间，肯定能够无限逼近并且通过某种方式连接在一起。

这样，前者产生的生物电信号，就能够被后者检测到并且传递下去。至于这种连接的方式是什么？卡哈尔并不知道。

直到20世纪中期，神经细胞之间的连接才第一次露出庐山真面目。至于为什么等了这么久，原因倒是容易理解，因为这种连接实在是太微小了。

两个神经细胞的树突和轴突，会向着彼此无限逼近，最后，在大约20纳米的距离上恰到好处地停下，形成一个被称为“突触”的连接。

20纳米这个间距的选择，很可能不是偶然的。它保证了前一个神经细胞产生的电信号或者化学信号，可以迅速且不失真地被后面的神经细胞捕捉到，同时也保证了两个神经细胞相互独立，彼此的细胞膜不会错误地融合在一起。

所以，神经细胞的联系，就是在突触这种特别的结构里产生的。

说到这里，你可能已经意识到了，在微观尺度下，学习实际上就发生在一个个突触之间，发生在这20纳米的距离之上。

按照赫布定律，学习这件事最终极的微观解释，就是神经细胞之间的联系强度发生了变化。

这可能是突触之间信号传递效率的变化，可能是单个突触的大小发生变化，也可能是突触数量的变化。

总之，在这20纳米的距离上，任何微小的变化都可能和学习有关。

“裁判蛋白”：学习的启动物质

那么，现在的重点就变成了，在这20纳米的距离上，到底发生了什么变化导致了学习呢？

我们说过，赫布定律的核心关键是：两个神经细胞“一起活动”，它们的联系就会被增强。

这件事在宏观尺度容易理解，比如，在巴甫洛夫的实验里，铃铛声和狗粮这两件事一起出现，学习就会发生。

那在微观尺度下，我们就可以想象，如果有一个负责感觉声音的“铃铛”细胞，一个负责唾液分泌的“口水”细胞，这两个细胞总是差不多同时被激发，赫布定律就起作用，它们之间的联系被增强。之后只需要摇铃铛，小狗就会流口水了。

但是，具体到铃铛细胞和口水细胞联系的界面，也就是突触的部位，它又是怎么知道这两个细胞确实经常一起活动呢？

一个猜测就是：在我们的大脑每一个微小突触那里，必须有一个东西能够准确地判断“一起活动”这件事才可以。

所以，我们可以想象，在两个神经细胞之间区区20纳米的狭窄空间里，应该站着一个一丝不苟的裁判。

他左右手各拿了一个秒表，左右眼分别盯着前后两个神经细胞。每次看到神经细胞开始活动，他会第一时间“掐表”。

而只有当他发现两只表记录的时间相差无几，他才会大声宣布赫布定律开始生效，突触的联系需要被强化，学习才会出现。

也就是说，最重要的问题是找到这个裁判员，看看他是如何做到精确地记录前后两个神经细胞的活动时间的。

上世纪80年代，这个裁判员的身份开始浮出水面。

人们发现了一个总是站在神经细胞膜上的蛋白质——它有一个非常难记的名字——N-甲基-D-天冬氨酸受体，或者NMDA受体，我们干脆就叫它“裁判”蛋白就行了。

这个裁判蛋白有两个非常奇妙的属性。

首先，如果它苏醒开工，就能够启动一系列生物化学变化，最终让两个神经细胞之间的连接更紧密。比如：

它可以让两个神经细胞之间突触的面积更大，让突触的数量更多，让突触对信号更敏感等等。

但是与此同时，它的唤醒却很困难，需要突触前后的两个神经细胞，差不多同时开始活动，轮番呼唤，“裁判”蛋白才会开始工作。

如果把裁判蛋白看成一个沉睡的公主，那么王子亲一口还不够，得连续各种姿势猛亲才能醒。

这两个属性结合在一起，正好能够当好赫布定律里面这个裁判员的角色。

好，现在我们知道了学习就意味着神经细胞联系的增强，而神经细胞联系的变化取决于一个重要的裁判蛋白。

那么，是不是如果让这个“裁判”蛋白更多一点，眼神更犀利一点，掐秒表的动作更快一点，人学习的本事就会更强一点呢？

聪明老鼠：学习能力可操控

在20世纪90年代，真的有人这么做了。普林斯顿大学的科学家——钱卓，首先利用基因工程学的技术，让小老鼠的大脑没法生产“裁判”蛋白。

结果，这样的小老鼠就彻底失去了学习能力。由此，大家更加确信，“裁判”蛋白对于学习确实不可或缺。

更精彩的其实还在后面，利用同样的手段，钱卓还制造出了“聪明老鼠”。这些小鼠初看起来和它们的同伴毫无区别，但是它们学习更快，更聪明。

钱卓是怎么做到的呢？

他用很先进的分子生物学手段，让小老鼠的海马体，也就是专门负责学习的大脑区域，生产超量的裁判蛋白。

蓝色区域：小鼠大脑的海马体

结果呢？这些小鼠的学习能力果然有了突飞猛进的进步。

钱桌他们做了一个叫做水迷宫的实验。把小鼠丢到一个很大的，浑浊的水池里，然后在这个水池的中央安插了一个在水下，但是能让老鼠落脚喘气的平台。

小鼠当然是很不喜欢待在水里了，因此它们会拼命游泳，寻找一个能落脚的地方。

普通的老鼠呢，训练几次后会慢慢地意识到池塘中央有一个平台。经过反复训练，它们找到落脚地的时间就会越来越短，这当然就是一个典型的学习过程。钱卓他们培养的老鼠，比正常老鼠找到落脚地的时间还要短得多。

所以你看，钱卓他们培养的那种老鼠，学习“好东西”的能力提高了。

不仅如此，这些老鼠学习“坏东西”的能力也提高了。

有一个实验是这么做的，把老鼠们丢进一个小房间里，这个小房间的地板是通电的，因此老鼠们会觉得脚底下很痛。

那么反复几次之后，正常老鼠就会意识到这个房间充满危险，一旦被丢进去就会瑟瑟发抖，躲在一个角落一动不动。

而钱卓他们培养的老鼠，会更快地意识到危险的存在。

从来不嫌事大的媒体，给这些老鼠起了个名字，叫“聪明鼠”。这种家伙登上过无数报纸和杂志的封面，非常生动地证明了“裁判”蛋白在学习中的意义。

从巴甫洛夫和卡哈尔开始，人们在两条不同的道路上探索学习的本质。赫布打通了这两条道路，用微观尺度下神经细胞之间的联系，解释了宏观尺度下动物学习的行为。而到了聪明老鼠的研究这里，两条道路终于水乳交融。

原来，在神经细胞之间、20纳米的微小空间里影响一种蛋白质，就可以操控整个动物的学习行为。

简单总结一下。我们首先看到神经细胞之间是通过突触产生联系的。根据赫布定律，这种联系能够在学习过程中被增强，而具体执行这种变化的是一个特殊的裁判蛋白。所以，通过人为地增加裁判蛋白的数量，科学家可以制造出学习能力更强，更聪明的老鼠来。

思考题：如果类似的办法能用在人身上增强学习，你会给自己用么？你会同意它合法化么？为什么？欢迎留言分享你的答案。

下一讲，在聪明老鼠研究的基础上，我们继续开开脑洞。人类有没有可能从无到有地模拟学习过程，创造出虚拟的记忆呢？我的回答是，这个可能性已经开始出现。

我们下一讲见。

聪明老鼠

这种家伙登上过无数报纸和杂志的封面，非常生动地证明了“裁判”蛋白对学习能力的影响。