作者:中国科普博览

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大脑中大多数神经细胞不会再生,因此保存在神经网络中的记忆肯定是随年龄减少。

如何无视时间,拥有超级好记忆呢?

总结起来,脑力锻炼、体育锻炼、良好睡眠(三期睡眠好),都必不可少。

为什么这么说?

可以先看一下人脑的记忆究竟怎么回事。

人的记忆分成“显性”(explicit )和“隐性”(implicit) 记忆两大类。

显性记忆就是能用语言表达的,又分成 “陈述型记忆”和 “事件记忆”。陈述型记忆的内容主要是知识,比如你背诵的唐诗。事件记忆是经历,比如回忆前天你早饭吃的是什么。

隐性记忆则主要是“程序记忆(procedural memory)”,比如学会骑车、滑雪、跳舞这些连续动作,以及学会的顺口溜、外语 。隐性记忆一旦形成可以稳定终生,所以你在小时候学会骑车,即使日后多年不骑车,但一接触自行车还是马上能骑。

显性和隐性记忆在大脑中的关键节点:

A 显性记忆的关键点是海马体(图中紫色结构),隐性记忆的关键节点是基底节(图中绿色结构)右上角插图标示海马和基底节在大脑中的位置。

B 人脑的标本的冠状切面(即两耳之间的切面,平面的位置由图A中的虚线标示)。海马体和基底节与大脑皮层形成高度互动的网络,把记忆储存下来。(大脑皮层即B图中的大脑外圈,颜色比较深的那层)

C 人脑海马体(右)和真的海马(左)比较,体积形状都相似。

也就是说,当你在广场上跳“小苹果”时,用的是程序型记忆;休息的时候和昨天刚认识的大妈打招呼,用的是事件记忆。而进一步和大妈套近乎,讲解股市“K线”,用的是陈述型记忆。

那么,如何减缓记忆衰退的速度?

大脑肯定随着年龄不断衰退,而体力和脑力锻炼是减缓记忆衰退的有效武器。

脑力锻炼主要靠多动脑,学习有挑战性的新知识最有益。老年大学和退休后公益志愿活动都是极好的脑力锻炼。

虽然大脑中大多数神经细胞是不能再生的,死一个少一个,但记忆是存储在神经细胞之间的连接点上的,一个神经细胞与其他神经细胞间有几千个连接点。一个细胞死亡不会丢失一个记忆,而只会由于相关节点的丢失使记忆减弱,模糊。

上图是海马中神经细胞的局部特写:

彩色小球为神经细胞体,拖着的尾巴是神经纤维。左上方的彩色细线是来自其他神经细胞的纤维。神经细胞通过纤维与其他神经细胞进行广泛联系。海马中有些神经细胞与几百万个其他细胞相连。记忆就寄存在细胞之间相互联系的接点(突触)上。

脑力锻炼可以不断活跃与记忆有关的神经网络,强化原有的连接点并创造新的连接点,刷新由于细胞死亡造成的记忆损失。衰退是持续渐进的,而锻炼也是持续渐进的补偿过程。

很多研究认为,变老不是被动的,而是退化与对抗退化不断相持不下的主动过程,与幼儿的发育、病后恢复非常类似,只不过发生在不同的年龄段。

体育锻炼与脑力锻炼同样重要,主要在以下三个方面:

一是增进健康,消灭高血压、高血脂、高血糖。心血管健康会让大脑受益。大脑享受全身20%的供血。脑中每根血管都负责一个重要脑结构的功能,那一根堵塞都会造成严重后果。

第二方面是改善心理健康。人的情绪是靠大脑皮层下的神经结构控制的。这些神经结构控制人的兴奋、发怒、幸福和沮丧等感觉。人年老后,难免某些神经环路会“搭错线”,造成各种极端情绪。极端情绪能使很多激素异常释放,直接破坏记忆的形成。同时也压抑免疫系统和身体修复的功能,加速衰老。运动可以有效地让人从这些短路的死胡同里绕出来。

第三方面是运动对增强记忆有直接作用。锻炼者学习和记忆的能力明显超过不锻炼者【1】。因为运动可以增加脑中掌管显性记忆的关键结构“海马体” (Hippocampus)的血流量和体积。具体说来,由于海马体直接处理事件记忆,所以户外运动时海马体必须一丝不苟地工作,否则就会找不到家。因此,海马体就得到明显的锻炼。另外,运动时肌肉会释放一种叫作cathepsin B 的蛋白分子,可以促进海马体分泌更多的神经营养因子,提高记忆能力【2】。

需要注意的是,程序型记忆虽然是终生不忘的,但用年轻时的程序型记忆指挥老年的肌肉却可能会出问题。

因为程序记忆存储的是肌肉收缩的时间顺序和强度,当肌肉关节衰退后,原来的运动定势就可能造成错误,出现“摔倒”这样的事故。高龄老人死亡率最高的原因不是心血管疾病,不是癌症,而是摔倒后骨折造成的卧床。卧床对人的健康是巨大的打击。因为站立本身需要活动大量肌肉,心血管需要根据姿态不断调节血压。宇航员在太空的无重力环境与卧床相似,即使是年轻人在这样的条件下过几天,也会站不稳,肌肉退化,骨骼中的钙大量流失。【3】

因此,持续的体力活动对老人防止跌倒,保持独立生活的能力是非常重要的。

睡眠对记忆有多重要?

目前,神经科学流行的一种说法是“记忆两步论”:显性记忆需要通过睡眠来巩固。

第一步发生在白天,人的大脑不断处理信息,随机把一部分日常经历的事件记下来。一天下来,脑内很多部分(比如海马体)就记满了,就需要通过睡眠来擦除大部分无用的记忆而巩固有用的部分。

第二步发生在夜间的睡眠中,海马体会不断地和大脑皮层共同活动,回放白天的记忆并记住其中一部分 。我们都有这样的经验:一觉醒来觉得昨天发生的很多事件被捋顺,记得更清楚了。这展示了睡眠对记忆的作用。

在夜里,人的睡眠有几个循环,每个循环约90分钟,先是浅睡(术语叫睡眠一期和二期),几十分钟后进入深睡(三期)最后是梦境(快速动眼期),如此循环几次。

老年人睡眠时间减少,主要是深睡的第三期变短,而损失的三期睡眠正是巩固记忆的“黄金睡眠”期。

一夜睡眠的时相和分期

上: 睡眠分期的脑电指纹。睡前闭眼但清醒时脑电是8-12 赫兹的阿尔法波。进入第一期浅睡后,脑电波变慢(西塔波)。睡眠加深到第二期时,有偶尔的高波和纺锤波。深睡(第三期)以高幅度,低频率的慢波脑电为主。梦境时,脑电与清醒时相似。

下:睡眠各期在一夜间的循环。第一个小时中从浅睡,第二期到第三期,之后出现梦境。然后再进入第二期第三期。这个循环在一夜中出现几次。

有个著名的实验,让一群年轻的哈佛学生在一天里变为记忆很差的老人:

首先,让这些学生在睡眠实验室里,边睡边实时监测他们的脑电信号。当三期慢波睡眠的脑电指纹出现时,实验人员就摇晃床,把三期睡眠破坏成浅睡。如此一夜几次晃床,虽然总睡眠时间没变,但第二天测试时,结果却十分惊人——年轻聪明的哈佛学生竟然变成了老年大学的学生,他们的逻辑能力和显性记忆都大大下降。而被试学生自己却一点没有睡眠不佳的感觉。

不过,该实验的效果是短时的,只要第二天不干扰三期睡眠,聪明的哈佛学生还是聪明的哈佛学生。这个实验说明了睡眠对记忆的重要性。【4】

睡眠缺乏除了影响记忆,还会明显地有害健康。一夜失眠就会使血压升高,增加血糖和血内的应急激素,并抑制免疫系统。良好睡眠的重要性超过一切体育和脑力锻炼。

因此,任何年龄的人都要尽一切努力保证充足的睡眠。体育运动和规则生活可以帮助睡眠,而中老年人为了有足够的高质量睡眠,也需要有足够强度的体育锻炼。

参考文献

1. Erickson et al., (2011) Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. PNAS, 108 (7): 3017–3022 http://www.pnas.org/content/108/7/3017

2. Moon HY, et al., (2016) Running-Induced Systemic Cathepsin B Secretion Is Associated with Memory Function. Cell Metab. 2016 Aug 9;24(2):332-40. doi: 10.1016/j.cmet.2016.05.025. Epub 2016 Jun 23

3. 见美国宇航局科普网站 https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/benefits/bone_loss.html

4. 很多基础知识和参考文献见https://en.wikipedia.org/wiki/Sleep_and_memory, 最近有一个非常有趣的直接实验见 Fattinger S., de Beukelaar TT., Ruddy KL, Volk C, Heyse NC, Herbst JA, Hahnloser RHR, Wenderoth N, Huber R6 (2017) Deep sleep maintains learning efficiency of the human brain. Nat Commun. 2017 May 22;8:15405. doi: 10.1038/ncomms15405.

作者:美国乔治城大学医学院神经科学系 吴建永

出品:科学大院