【大腦S01E08】不只負責記憶 海馬迴也是腦內的GPS
上一集我們介紹了亨利莫雷森的故事；這位縮寫名叫H. M.病人的大腦，可以說是神經科學史上被研究最透徹的一顆人腦。莫雷森在被切除了海馬迴及周邊組織後，科學家觀察到兩個非常重要的現象：第一，莫雷森喪失了長期記憶，但卻保有短期記憶。由此可知，海馬迴和長期記憶有關，而和短期記憶無關；第二，莫雷森喪失了陳述性記憶，但是卻沒有喪失程序性記憶。由此可知，海馬迴負責的是陳述性記憶，而和程序性記憶無關。
壞掉的電腦與莫雷森的大腦
首先，我們現在知道海馬迴受損之後，長期記憶中的陳述性記憶會受損，但短期記憶和程序性記憶不受影響。我們便可以進一步追問：為什麼海馬迴受損後，陳述性記憶就會消失？莫雷森不但陳述性記憶消失了，而且還無法形成新的陳述性記憶？到底是什麼樣的機制，導致了這樣的現象？
關於這個問題，可以想像以下的比喻：有一天，你家的小孩拿了一把菜刀打開你的電腦主機殼，並揮刀一砍，結果電腦出現了兩個問題：第一個問題，無法開啟之前存過的word檔；第二個問題，仍然可以開啟新的word檔去打字，但是打完要存擋時，就無法存擋。
莫雷森的問題幾乎和這台電腦一模一樣。莫雷森失去了舊的記憶，就好像這台電腦無法開啟舊的word檔一樣；此外，莫雷森可以聽懂指示、並依照指示操作，這就好像是這台受損的電腦仍可以用word來打字一樣。同時，莫雷森無法長期的記住任何內容，這就好像這台受損的電腦無法存擋一樣，只要一關掉word程式，裡面的內容就會消失的一乾二淨。
那麼現在的問題就是──這台電腦出了什麼問題？莫雷森的腦中哪個機制出問題？
海馬迴硬碟假說
根據這個電腦的比喻，大家可能會直覺地認為海馬迴可能就是「記憶儲存」的位置。當這個負責「儲存記憶」的腦區壞了，自然就會遺失過去的記憶，也無法儲存新的資訊。這有點像是電腦中的負責儲存檔案的硬碟壞了，導致過去的資料叫不出來，而且也無法儲存新的資料。我們姑且把它成為是「第一種假說」，或是「海馬迴硬碟假說」。
雖然「海馬迴硬碟假說」聽起來合理，但卻有一個問題：如果海馬迴真的是儲存記憶的地方，那海馬迴被破壞之後，記憶應該要全部消失才是；但是，莫雷森的陳述性記憶並沒有全部消失，而只是消失了手術前一兩年的記憶。我們該怎麼解釋呢？有一種可能的解釋方式就是：可能手術只破壞了部分的海馬迴而已，因此只有一部分的記憶消失而已。
關於這種說法，莫雷森的醫師史科威爾馬上根據他的手術方式提出反駁。史科威爾十分自信地認為自己已在手術過程中切除了全部的海馬迴；因此，這種懷疑海馬迴只有部分被破壞的說法，他覺得根本不對。
由於1953年的時候，沒有MRI磁振造影，所以大家也就只能相信史科威爾醫生的說法，暫時海馬迴真的已經全部被切掉。既然海馬迴已經全部被破壞，又有一些長期記憶卻依然存在，那就只有一種可能的解釋：長期記憶並不存在海馬迴之中，也就是「海馬迴硬碟假說」是錯的？但是，如果海馬迴不是記憶的儲存地點，那海馬迴的功能到底是什麼呢？如果「海馬迴硬碟假說」不對，那我們就勢必得要想出另一個解釋方法、另一種假說才行。
海馬迴存寫頭假說
有些人可能已經猜到，或許海馬迴並非記憶的儲存地點，而只是負責形成記憶和固化記憶的腦區。我們把這種猜測稱之為「第二種假說」，或是「海馬迴存寫頭」假說。若用電腦來比喻：海馬迴並不是硬碟，而有點像是硬碟的讀寫頭；更精確一點來說，應該只有寫入的功能，所以應該是「存寫頭」；再換個比喻來說，海馬迴就像是筆一樣，負責寫下訊息，但是訊息最後是儲存在紙上面，而不是儲存在筆上面。換句話說，此說法認為負責儲存長期記憶的硬碟位置，並不在海馬迴，海馬迴只是一個負責寫入資料的存寫頭、只是一支負責寫下資料的筆，而當這個存寫頭壞掉時、當這隻負責記錄的筆壞掉時，記憶就無法存擋。
以現在的證據來看，這個「海馬迴存寫頭」假說還算是正確。但是我們現在回頭去看當年大家的推論，其實會發現剛剛的推論，根本就是誤打誤撞、歪打正著。為什麼呢？因為當年沒有MRI，我們只能相信史科威爾的手術說詞；但當莫雷森在1992年接受了MRI掃描之後，大家一看到掃描結果都傻眼了。原來掃描結果顯示，莫雷森的海馬迴根本沒有被完全破壞，兩側的海馬迴大概還有1/3是完整的。
換句話說，史科威爾根本搞錯了，他自以為完全破壞了海馬迴，其實卻只有破壞了一部分。而當時大家誤信了史科威爾，才放棄了第一種「海馬迴硬碟」假說，推出第二種「海馬迴存寫頭」假說；沒想到MRI證據顯示，莫雷森的海馬迴還有許多地方完整，因此當時根本沒有證據可以直接推翻第一種海馬迴硬碟假說。
所幸在1953年莫雷森手術完成到1992年MRI磁振造影這三十幾年之間，又有了好幾個類似的案例和其他的生物學研究，因此有許多其他證據，都支持「海馬迴存寫頭假說」；要不然只靠莫雷森的案例，恐怕整個推論都要重新來過才行。不過，雖然有這一段插曲，但最後幸虧有來自各方的其他證據，因此我們可以比較安心地做出結論，這個結論就是：海馬迴比較像是記憶的存寫頭，而不是儲存記憶的硬碟。
海馬迴是存寫頭或筆嗎？
接下來又有一個問題：為什麼莫雷森過去的記憶，有一些會被遺忘，但有些卻沒有被遺忘？如果海馬迴真的是記憶的存寫頭，那麼已經儲存過的記憶不是應該就會永遠存在嗎？為什麼有些已經儲存好的記憶，竟然會在海馬迴壞掉（也就是存寫頭壞掉）之後也跟著不見呢？
關於這個問題，有一位UCLA的心理學教授馬凱（Donald MacKay）提出了可能的解答。馬凱教授專門研究人類語言能力與老化，他發現當年紀越來越大的時候，人的英文單字拼音能力會逐漸退化變差；同時，他還發現莫雷森的拼音和語言能力，退化得比一般人快很多。馬凱在莫雷森57歲那一年測試了他的語言能力，發現莫雷森的語言能力幾乎接近73歲的老年人。針對這個現象，馬凱提出了他的假說：人類的記憶本來就會自然的消逝，所以必須要靠海馬迴來一直補強逐漸消逝的記憶。
從這個角度來看，我們之前提到的比喻其實並不精確。海馬迴並不像是電腦中負責寫入硬碟資訊的存寫頭，也不是負責在白紙上寫下資訊的筆，而記憶也不是硬碟或白紙上寫下的資訊。因為在這兩種比喻中，不管是硬碟或是紙上的資訊，都不會自然地逐漸消失。對馬凱來說，海馬迴比較像是一把雕刻刀，記憶則像是雕刻在石頭上的字或圖案。由於石頭上的字或雕刻會隨著時間風化腐蝕，因此我們需要使用海馬迴這把雕刻刀來不斷的重新補強。比方說，當我們每次聽到某個英文單字時，關於這個單字的記憶就會被重新補強一次。而一旦海馬迴受損，我們就無法再補強過去的記憶。這些記憶就會逐漸消失。
海馬迴的其他功能
莫雷森的案例讓科學家無意見的發現了海馬迴與記憶之間的關聯性。隨著科學家對海馬迴的研究越來越深入，海馬迴其他的功能現在也逐漸被揭露。現在我們知道，海馬迴除了和長期記憶中的陳述性記憶有關，其實也還負責了許多其他的認知功能。
比方說，剛剛提到的UCLA的馬凱教授就發現，海馬迴受損的病人也會有視覺認知上的異常。當病人的視野中出現一些奇怪的事物的時候，例如穿著鞋子的雞、或是比例大小不對的物體時，這些病人常常會偵測不到這些異常的物體。此外，海馬迴受損的病人也常常會出現想像力上的問題，例如當醫生要求他們想像自己在海灘上可以看到什麼情景時，他們只可以想像出來非常貧瘠的畫面。
空間地圖
除此之外，目前也有許多研究指出，海馬迴可能和空間巡弋以及建構空間地圖有關，換句話說，就是大腦中的GPS。說到腦中的空間地圖，我們就要從1930年的
加州大學柏克萊分校的心理學教授托爾曼（Edward C. Tolman）開始說起。
在1930年代以前，大多數的科學家都認為，動物在認路的時候，是依靠路徑上接續出現的「路標」來尋找和記住路徑。比方說老鼠學習迷宮走法時，可能是靠著記住一連串轉彎順序來走出迷宮（例如第一個叉路要右轉、第二個叉路要左轉、第三個叉路要直走等記憶方式來記路）；當時的人們並沒有考慮到一種可能性，就是動物可能會在腦中描繪出整個迷宮的地圖、並藉此來規劃最佳路徑。
托爾曼則對這種想法不以為然，他認為，動物其實有可能就是在腦中描繪出了整個迷宮的地圖、並藉此來規劃最佳路徑。而不是死板的去記住路徑上接續出現的「路標」來認路。他之所以會提出這個想法，是因為他觀察一個完全不符合傳統理論的現象：老鼠會走捷徑！他最為人知的一個聰明實驗，就是他先訓練老鼠走一條固定的唯一路徑，這條路徑就是先直走然後再右轉，然後就可以找到食物。換句話說，從整個空間的角度來俯瞰的話，食物是位於老鼠的右前方。
接下來，當老鼠完全學會走這條路徑之後，托爾曼就把這條路封死，然後給老鼠好幾條新的路徑，最後看看老鼠會怎麼重新探索迷宮。結果發現，老鼠會直接去走通往右前方的捷徑，然後直接走向食物的方向。由這個實驗我們可以知道，如果老鼠只是透過記住一連串的轉彎順序來走出迷宮，那就不可能會出現這種走捷徑的行為。也因此，托爾曼認為，動物應該可以在腦中形成一套關於外在環境的心智地圖。他甚至還進一步主張，心中的認知地圖，不只可以幫助動物和人類找到路，還能幫助我們記住自己曾經在某些地理位置上所經歷的事件。
托爾曼的這個想法，在1930年提出後一直備受爭議。大家之所以很難接受這個理論，其中一個原因是因為動物實驗中所觀察到的行為，似乎還有許多種不同的詮釋方式（例如老鼠可能會靠空氣中的氣味、或是房間中的電燈或其他路標來行動）。而且，托爾曼當時也沒有足夠的生理實驗工具，可以證實動物腦中真的存在一張關於環境的內在地圖。既然沒有生理證據，大家也就一直沒有正視這個理論。
位置細胞
一直要到大約40年後，科學家才發展出微電極的技術，並從神經細胞的電生理活動中找到關於這種地圖的直接證據。1971年，倫敦大學學院的歐基夫（John O’Keefe）使用微電極觀測神經細胞活動時發現「位置細胞」（place cells）。而這些位置細胞，就是位於海馬迴之中。
所謂的位置細胞，就是當老鼠身處迷宮裡的某個特定位置時，海馬迴裡的某些細胞就會變得活躍。也就是說，當老鼠處於某一個位置時，有一些細胞會反應，當老鼠移動到另外一個位置時，又有另一些細胞會反應，就彷彿海馬迴裡有不同的細胞在表徵或對應著外在世界的特定位置一樣。歐基夫認為這一些「位置細胞」表徵了外在空間，並在可以在腦中建構出一張認知地圖，透過這張認知地圖，老鼠就可以記住空間位置並且不會迷路。
在當時，「位置細胞」其實是個很新穎的看法。70年代的學術界雖然認為海馬迴和記憶有關，但卻沒有想過海馬迴和「空間記憶」以及「導航」有關；大部份的人都認為，海馬迴應該是和「氣味記憶」有關。當時大家普遍的批評歐基夫，認為這些「位置細胞」應該是「氣味細胞」才對，一定是歐基夫沒有辦法完全抹去空間中的老鼠氣味，所以老鼠才會在迷宮中不同的地點聞到不同的味道，這些神經細胞也才會被激發。這或許是因為這個原因，他這篇原創研究只發表在普通的期刊，而沒有辦法登上頂級期刊。這項發現，也因此一直沈潛無聞。
格狀細胞
30多年之後，終於時來運轉。2005年，歐基夫的博士後學生梅布里特‧莫澤（May-Britt Moser）、愛德華‧莫澤（Edvard I. Moser）這對夫妻為了進一步研究位置細胞的訊息來源，決定切斷老鼠海馬迴周圍的腦區連結，想要看看訊息究竟是從什麼腦區傳入海馬迴。他們不斷的切，切到最後剩下內嗅皮質（entorhinal cortex）的時候，發現當老鼠移動到特定的位置時，海馬迴中的這些位置細胞竟仍會活躍。因此他們合理推測，內嗅皮質應該和空間位置的定位也有關係，於是他們便進一步著手探究內嗅皮質內的細胞活動。結果就意外發現了「格狀細胞」（grid cells）。這些「格狀細胞」，並不只是針對單一一個空間位置有反應，而是對許多空間位置都有反應；它們所對應到的諸多空間位置，連起來就像是一個棋盤格。這些棋盤格就有點像是一般地圖上由經線和緯線所構成的方格一樣。
除了格狀細胞，他們還在內嗅皮質中找到了一種「頭部方位細胞」：當老鼠的頭朝向某個特定方位時，這些細胞就會活化。 這些細胞就好像是動物身上自帶的指北針一樣，只要觀測這些細胞的活動，我們就可以知道任何一個時刻中的動物頭部方位。
幾年過後，這對夫妻在2008年又在內嗅皮質中發現了另一種細胞。這種「邊界細胞」會在動物靠近牆壁、或是圍欄邊界時有所反應。它們似乎可以計算動物與邊界之間的距離。
最後2015年，又有第四種細胞登場。這種細胞會反映出動物的奔跑速度。這些細胞的放電速率會隨著動物的移動速度而加快。如果「速度細胞」和「頭部方位細胞」配合，它們應該可以持續提供各種關於動物移動的訊息，包括速度、方向、以及自己和起始點之間的距離等等。科學家猜測，海馬迴及其周邊腦區裡的這套導航系統，除了能夠幫助動物從一個地點移動到另一個地點之外，可能還會記錄下何處存在什麼事物，幫助我們建構出一套「腦中的認知空間地圖」。
以上這些由歐基夫和莫澤夫婦的發現，也幫助他們拿下了2014年諾貝爾生醫獎！托爾曼在將近90年前所提出的「腦中空間地圖」理論，如今終於真相大白！
以上就是關於「海馬迴」的故事。1953年莫雷森切除了海馬迴之後，意外引發了關於記憶的科學研究。現在我們終於逐漸明白，海馬迴就像是一把雕刻刀一樣，可以把記憶雕刻在腦中的記憶石板上，當石板隨著時間逐漸風化之後，記憶就會隨著消逝，而海馬迴的功能之一，就是可以透過再一次的雕刻來補強這些記憶，一旦海馬迴受損，新的記憶就無法形成，舊的記憶也會逐漸消退。此外，新的研究也指出，海馬迴也和視覺認知以及想像力有關；2014年諾貝爾生醫獎的一系列研究也發現，海馬迴及周邊腦區還負責了空間導航和巡弋。
在海馬迴的故事中，我們看到莫雷森在一場手術之後喪失了自己的記憶，從此停留在永遠的現在式之中，不過科學卻因禍得福，整個研究記憶的科學世代，都因為莫雷森而留下了永恆的知識和回憶。我是大腦好好玩的節目主持人謝伯讓，用科學故事，讓腦說話，我們下次再見！
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