【大腦S01E07】科學史上被研究最透徹的一顆人腦 H. M.、海馬迴與記憶

謝伯讓文、聲音|謝伯讓
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而這也是第一次,科學家找到了明確的證據,可以區分「陳述性記憶」和「程序性記憶」。這種「程序性記憶」,就是與身體動作程序相關的記憶,失去了海馬迴的莫雷森,依然保有「程序性記憶」,而且可以學習新的「程序性」動作。因此,海馬迴和「程序性記憶」無關,而只和「陳述性記憶」有關。

【大腦S01E07】科學史上被研究最透徹的一顆人腦 H. M.、海馬迴與記憶

今天要幫大家介紹的主題是──海馬迴(hippocampus)與記憶。為什麼叫海馬呢?因為它的形狀長得就有一點像是海裡的海馬,所以當初才會被叫做海馬迴。有些翻譯會直接把hippocampus翻成海馬,而省略海馬迴的迴,但是我們今天在這邊還是用「海馬」迴稱之,以免大家一直聽到海馬、海馬,還以為我們的節目變成是《海洋魚類好好玩》。

提到「海馬迴」,我們就要提到神經科學史上最知名、被研究最透徹的一顆人腦,就是病人H. M.的大腦。如果我們聽眾中如果有心理系的學生,那你們對於病人H.M.的大名,應該都不陌生。在2008年病人H. M.過世之前,由於科學家要保護他的身份,因此在各大期刊論文中提到關於他的研究時,都是以其名字的縮寫 H. M.來相稱;直到他過世之後,他的名字才正式解密,我們才終於知道他的本名叫做亨利莫雷森(Henry Molaison)。

 

亨利莫雷森與他的大腦

莫雷森是何許人也?他對記憶的研究有什麼貢獻?

莫雷森在1926年出生在美國的康乃狄克州。10歲前,他的生活風平浪靜一切正常;但在10歲那一年,莫雷森出現了第一次的癲癇發作。這一次的發作,是一種小發作癲癇,也叫做「失神型癲癇」,當病人發作這種癲癇,他們看起來會像是突然恍神;他們會停下動作,兩眼無神發呆,持續數十秒後,病人會恢復正常,然後繼續她原本在做的事情或動作。

在莫雷森15歲時,他的情況更加惡化,開始出現大發作癲癇,也叫做「強直陣攣型癲癇」。這種癲癇發作的狀況比較誇張,也就是大家常常會在電影中或電視劇中看到的癲癇狀況;病人發作時會突然倒地,眼睛上翻、牙齒緊閉、口吐白沫、四肢僵直、抽動、抽筋,有時還會大小便失禁。發作完之後,還會出現意識不清和失憶的現象。

由於莫雷森的癲癇狀況日益嚴重,他的父母便帶她四處求醫,在莫雷森17歲那一年,他見到了史科威爾醫師(William Scoville),並在莫雷森27歲那一年(1953年),接受了史科威爾的大腦手術建議。這場手術,徹底改變了莫雷森和記憶的認知科學研究。

 

切除海馬迴的大腦手術

莫雷森所接受的大腦手術,和我們在第5集曾經介紹過的惡名昭彰的額葉切除術非常類似,差別只在於:史科威爾要切除不是莫雷森的額葉,而是他的「海馬迴」。那為什麼要切除海馬迴呢?這是因為科威爾根據當時的科學文獻研判,莫雷森的癲癇可能是海馬迴異常放電所引起的。

想要切除海馬迴,就要先知道海馬迴是位於顳葉的深處。想要切除一個位於大腦深處的組織,勢必要找到好的方法才行;如果隨便把手術器具插入大腦內部,很容易就會破壞到大腦表面的組織。比方說,如果我們直接從頭的側面刺穿顳葉,那顳葉表面跟聽覺有關的大腦皮質可能就會受損,也就會因此造成不必要的困擾和傷害。

到底要怎麼做,才能以最小的傷口,取出最多的海馬迴呢?關於這個問題,史科威爾醫師想到了一個好方法:從額頭前面下刀。因為海馬迴是長條形的,而且海馬迴的頭部是位於顳頁的最前端,也就是額葉的下方。因此從額頭下刀,就可以只挖出一個小洞,破壞海馬迴的頭部,然後再一路深入破壞長條形海馬迴的中段和後段。這個概念,就有點像是我們在切除鳳梨心的做法一樣,如果要去除鳳梨心,但是又要保留所有鳳梨肉的完整,那最好的作法就是從頭切開一個開口,然後直接垂直挖掉鳳梨心,因為如果從旁邊切開,就一定會破壞掉鳳梨的肉。

所以同樣的道理,從額葉下刀,就可以只開一個小洞,然後保留顳葉的完整性。但是從額頭動刀會有一個問題,就是會先遇到額葉。不過沒關係,史科威爾已經想好了對策,我們現在就來聽聽看他的妙計是什麼。

首先,史科威爾先在莫雷森的額頭上鑽了兩個洞;接下來,用勺子插到洞裡面,放到額葉的下方,然後把額葉稍微舉起然後推向旁邊。換句話說,這就有點像是用一個迷你的千斤頂把額葉頂起來,一旦額葉被頂起來,我們就可以看到顳頁的最前端。接下來,史科威爾就把吸引器(類似牙醫吸口水的管子)從顳葉前端穿刺進去,然後把深處的海馬迴直接吸出來。

莫雷森在整個手術的過程只被局部麻醉,因為基本上大腦不會痛,所以只要對前額骨穿孔的部位進行局部麻醉就可以了。簡單來說,先在前額骨的進行局部麻醉,挖出兩個洞後放入迷你千斤頂舉起額葉,然後插入牙醫吸口水的吸引器,吸出海馬迴,最後再消毒縫合,輕鬆搞定。

手術完成後的隔天,醫生就來探視莫雷森,結果看起來狀況似乎不錯!從治療癲癇的角度來看,這個手術可以說是完全成功,因為莫雷森的癲癇沒有再發作了。而且他的認知能力、語言溝通、智力,也都沒有明顯的異常,所以可以說是手術大成功。但是,在仔細進一步檢查之後才發現,原來問題大條了!

 

長期記憶 vs. 短期記憶

第一個問題,就是莫雷森記不起手術前的一些事情;用精確的術語來說,就是他出現了「逆向性失憶」。這種逆向性失憶有一個特點:越靠近手術的事件,忘得越乾淨。比方說,手術前1到2年前的事情,他忘得一乾二凈;手術前3到5年的事,大概忘了一半;手術前10年的事情,大概就都還記得。

第二個問題,更大條。醫生發現雖然莫雷森可以聽得懂指示,也能順利的對話,但是只要醫生離開病房幾分鐘再回來時,莫雷森就已經把剛剛發生的事情全都忘光。換句話說,手術之後,他不但忘記了一些手術前的事件,更特別的是,手術後他在日常生活中所遭遇的事件,他都再也記不住。也就是說,莫雷森出現了「順向性失憶」,他無法形成新的事件記憶!

好,這兩個現象是科學家第一次有辦法明確區辨出「短期記憶」和「長期記憶」。在莫雷森身上,他的短期記憶沒問題,但是長期記憶卻出現異常。

之所以說莫雷森的短期記憶沒問題,是因為他的可以聽懂醫生的指示、可以把指令暫時記在腦中然後進行思考和對談,這就是所謂的短期記憶。但是他出問題的地方就在於,這些短期記憶中的訊息,並沒有被長期的儲存下來,一旦莫雷森分心了、一旦短期記憶中的資訊更新了,之前的資訊馬上就會消失得無影無蹤。

由於以上的現象,我們知道當海馬迴受損時,短期記憶不受影響,但是過去的一些長期記憶卻消失,而且還無法再形成新的長期記憶,因此海馬迴必然和長期記憶有關,而和短期記憶無關。

 

陳述性記憶 vs. 程序性記憶

當莫雷森的海馬迴被切除之後,他的長期記憶出了問題。這裡所謂的長期記憶,主要是「陳述性的記憶」,也就是可以陳述出來的記憶;例如現任美國總統叫做川普,或是法國的首都是巴黎這一類的「語意記憶」;還有第一次搭飛機的感覺、第一次和男女朋友牽手時的情境這一類的「事件記憶」。這兩種記憶都是屬於陳述性記憶;而莫雷森出問題的,就是這種陳述性記憶。

但是,有趣的地方在於,有一些東西,莫雷森似乎沒有忘記。比方說,他還記得怎麼說話、他還記得怎麼拿筆寫字、他也還記得怎麼騎腳踏車。這就讓科學家開始懷疑,莫雷森的腦中是不是存在某些形式的記憶沒有被破壞,這些非陳述性的記憶,可能仍然存在他的腦中,而且也可以繼續正常的形成。

關於這一點,科學家想出了一個方法來進行測試。他們要求莫雷森去對一些圖形進行描邊,比方說看著一個三角形,然後拿筆去描這個三角形的邊。這個作業特別的地方,就在於莫雷森必需是要看著鏡子中的三角形和手來描邊。這個作業大家可以對著鏡子試試看,其實算是有點難度的,因為透過鏡子,我們的視覺訊息會和動手的體感覺方向相反,所以一開始會錯誤百出;但是經過訓練幾次之後,就可以學會並校正這些錯誤。

科學家想要知道,這種學習作業,對於無法記住新東西的莫雷森,到底有沒有辦法做到?結果發現,莫雷森竟然學得會!好玩的地方就在於,由於莫雷森失去長期記憶,因此科學家每天讓莫雷森的學習鏡子作業時,莫雷森都不知道自己昨天曾經練習過,每天他都覺得這是一個新的作業。但是結果卻顯示,他的表現隨著每天的練習變得越來越好。換句話說,雖然莫雷森沒有關於鏡子作業的長期陳述性記憶,但是關於鏡子作業的程序性記憶,他似乎可以順利記得。

而這也是第一次,科學家找到了明確的證據,可以區分「陳述性記憶」和「程序性記憶」。這種「程序性記憶」,就是與身體動作程序相關的記憶,失去了海馬迴的莫雷森,依然保有「程序性記憶」,而且可以學習新的「程序性」動作。因此,海馬迴和「程序性記憶」無關,而只和「陳述性記憶」有關。

莫雷森這種失去「陳述性記憶」,但是確保有「程序性記憶」的現象,其實和1911年另外一位醫生克拉帕瑞德(édouard Claparede)的發現很像。克拉帕瑞德當年也有一位順向性失憶的病人,他當時發現這位病人有一些有趣的行為,就是這位病人因為失憶而無法說出廁所和病房的位置,但是去廁所和回病房時卻不會迷路。克拉帕瑞德因此懷疑,這位病人是不是隱約還記得某些事情。

有一天,克拉帕瑞德心血來潮,決定要惡作劇測試一下,於是他就在和病人握手時,手裡藏了一個大頭針。病人握手之後痛得縮手哇哇大叫。不過由於病人有失憶症,當然很快就忘了這件事。隔天克拉帕瑞德醫生又來找病人握手,這次病人立馬拒絕握手。醫生問他為什麼不握手,病人就回答「我難道不能拒絕握手嗎?」醫生又再繼續追問原因,病人最後終於回答「因為有人可能會在握手時惡作劇,用隱藏的大頭針刺人」。

從這個小故事我們也可以看到,「陳述性」的語意知識記憶和「程序性」的身體動作記憶的確不同。當我們因為海馬迴受傷而喪失「陳述性」記憶時,其他的腦區依然可以儲存「程序性」記憶。我們現在也把「陳述性」的這一類記憶稱為「外顯記憶」,然後把「程序性」的這一類記憶稱為「內隱記憶」。

 

小結

最後總結一下。今天我們介紹了亨利莫雷森的故事。這位病人的大腦,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。

關於海馬迴的故事,其實還有很多,在下一集的節目中,我們將繼續介紹深入海馬迴,我們將一起來看看海馬迴究竟是透過什麼樣的方式參與了記憶的運作。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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