神经科学家一直认为 ， 在学习时 ， 大脑只会增强神经元之间的神经突触连接 。 但近年来 ， 一些新的研究表明神经元之间突触连接的增强 ， 并不能完全解释大脑在学习过程中的变化 。 而最让人惊讶的一个发现是 ， 我们在学习和记忆时 ， 神经元轴突上的“绝缘层”的厚度会发生变化 ， 而这种厚度的变化 ， 可以调节神经信号的传递 ， 让大脑不同区域的神经元在电活动上实现同步——这一点 ， 在我们的学习和记忆过程中起着关键作用 。
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人类的大脑是如何完成学习任务的？这方面的研究可以追溯到伊万·巴甫洛夫（Ivan Pavlov）的经典反射实验 。 在这个实验中 ， 他发现狗一听到铃声 ， 就会流出口水 。 1949年 ， 加拿大心理学家唐纳德·赫布（Donald Hebb）利用巴甫洛夫的“联想学习法则”（associative learning rule） ， 解释了大脑细胞获取新知识的机制 。 赫布提出 ， 当两个神经元一起被激活 ， 并且同时产生信号时 ， 它们之间的突触连接会变得更强 。 如果发生这种情况 ， 就说明大脑正在学习 。 这个观点引出了一个被广泛接受的理论：一起放电的神经元 ， 是通过神经突触相连的 。
这一理论比较详细地描述了学习过程中 ， 神经突触在分子层面的变化 ， 并且得到了很多证据的支持 。 但是 ， 并不是所有奖赏或惩罚我们都会记得 ， 实际上大多数经历都被遗忘了 。 有时候 ， 即使神经突触能被一起激活 ， 但它们并没有连接在一起 。 我们的大脑能否保留记忆 ， 其实取决于很多因素 ， 比如我们对某次经历的情感反应；这是不是一次全新的体验；这次经历是在什么时间和地点发生的……随后 ， 在睡觉时 ， 我们的大脑会对这些想法和感受进行加工处理 。 到目前为止 ， 我们一直专注于研究神经突触 ， 对于大脑学习及记忆的机制 ， 我们也有了一些粗略的理解 。
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事实证明 ， 仅仅增强神经突触 ， 是没法产生记忆的 。 为了形成连贯的记忆 ， 整个大脑需要产生大量的变化 。 无论是回忆昨天晚餐时与客人的对话 ， 还是学会骑自行车等后天技能 ， 大脑多个不同区域的数以百万计的神经元都需要产生神经活动 ， 形成包括情感、画面、声音、气味、事情经过和其他体验在内的连贯记忆 。
因为学习过程涉及到生活体验的很多要素 ， 所以在这一过程中 ， 除了突触变化外 ， 必定也会有很多其他细胞活动参与进来 。 这种认识也让科学家开始寻找新的方式 ， 来理解神经信号如何在大脑中传输、处理和存储 ， 进而让大脑完成学习过程 。 在过去十年中 ， 神经科学家已经意识到 ， 人类大脑表层的灰质并不是唯一参与永久记忆形成的区域 。 研究发现 ， 大脑皮层下方的区域在学习中也发挥着关键作用 。 最近几年中 ， 我的研究团队和其他研究人员通过一系列的研究阐明了相关的过程 。 这些研究有益于发现治疗精神障碍和发育障碍的新方法 ， 这两种健康问题往往和学习障碍有关 。
如果神经突触的增强不足以说明大脑在学习时发生的变化 ， 那么在学习新东西时大脑中会发生什么？现在 ， 研究人员能利用磁共振成像（MRI）观察大脑结构 。 在仔细检查磁共振成像的结果时 ， 研究人员开始注意到 ， 具有某些特定高超技能的人与普通人的大脑结构存在差异 ， 例如音乐家的听觉皮层比其他人更厚 。 对此 ， 研究人员最初的推测是 ， 大脑结构上的细微差异让单簧管演奏家和钢琴家更善于学习音乐技能 ， 但后续研究证实 ， 是学习过程改变了大脑的结构 。
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