唐納德·赫布是一位著名的加拿大科學家，他在心理學領域取得了多項重要發現，為感知、智力和情感提供了深刻的見解。然而，他最著名的可能是他的學習和記憶理論，該理論出現在大多數神經科學基礎教材中。但現在，一種替代理論——以及隨之而來的實驗證據——從根本上挑戰了赫布思想的一些核心原則。它詳細描述了細胞以及啟用它們的電訊號和分子訊號如何參與形成一系列相關事件的記憶。
赫布的理論於 1949 年提出，認為當一個神經元（可能是由於觀察周圍環境而觸發）的電活動反覆誘導相鄰的“目標細胞”發射電脈衝時，就會發生條件反射過程，並加強兩個神經元之間的連線。這有點像用重物做臂彎舉；經過反覆舉起，手臂肌肉變得更強壯，槓鈴也更容易舉起。在細胞水平上，一個神經元對另一個神經元的重複刺激使目標細胞在下次被啟用時更容易做出反應。在基礎教材中，這可以歸結為一句簡單的格言來描述學習和記憶的生理學：“一起放電的細胞，一起連線。”
每個理論都需要實驗證據，科學家們多年來一直在努力在實驗室中驗證赫布的觀點。許多研究發現表明，當一個神經元幾乎與相鄰神經元同時反覆發射電脈衝（稱為“動作電位”）時，它們之間的連線確實變得更有效率。目標細胞更容易放電，並且傳輸的訊號更強。這個過程——稱為長時程增強 (LTP)——顯然會在目標細胞中引起生理變化或“可塑性”。LTP 通常被認為是解釋大腦如何在細胞水平上學習和形成記憶的一種可能機制。
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但長時程增強留下了一些懸而未決的問題。當我們遇到新事物時，這種體驗通常是以一系列事件的形式發生的，持續至少幾秒鐘——而不是像 LTP 所假設的那樣是幾分之一秒——但記憶仍然會形成。學習也不一定需要多次接觸某個事件：一個孩子看到幾英尺外的爐子上誘人的藍色和黃色火焰。她走向爐子，慢慢抬起一根手指，然後迅速縮回手。一次就足以讓她終生記住這個教訓。
9 月 8 日發表在《科學》雜誌上的一篇新論文為霍華德·休斯醫學研究所珍利亞研究園區傑弗裡·馬吉和其他研究人員認為的更合理的解釋提供了證據，即一系列事件如何形成對某個地方的記憶。在他們的實驗中，一隻沿著跑道奔跑的小鼠在五秒鐘內建立了跑道上特定位置的記憶——在神經科學術語中稱為“位置場”。位置場在小鼠僅遍歷跑道一次後就植入到大腦中稱為海馬體的區域。
動作發生在突觸中，突觸是神經元之間微小的裂縫，訊號從一個細胞傳遞到另一個細胞。來自小鼠大腦另一部分的視覺、觸覺或其他輸入透過稱為軸突的長神經元纖維傳遞，越過到達稱為海馬體的區域中的目標細胞。輸入觸發一組訊號的產生，這些訊號在海馬體目標細胞上稱為樹突的微小突起中持續數秒。
在這種形式的可塑性中，海馬細胞中的關鍵訊號不是亞毫秒級的動作電位，而是在目標細胞樹突中持續長達數百倍的稱為“平臺電位”的電訊號。平臺電位導致相對大量的鈣進入目標神經元的膜，這引發了一系列事件，導致細胞自身內部的分子和結構變化。在小鼠僅跑了幾次跑道（有時只有一次）後，海馬神經元經歷了這種生化學習過程，並形成了一個位置場，當小鼠再次經過該地點時，該位置場會被啟用。因此，當位置場啟用時，動物現在“知道”跑道上的這個定義位置。
這種新發現的學習過程與教科書中長期存在的 LTP 概念在基本方面有所不同。LTP 需要（正如赫布所預測的那樣）一個神經元反覆傳送輸入訊號，導致附近的神經元發射亞毫秒級的脈衝。馬吉及其同事的發現——被稱為“行為時間尺度突觸可塑性”——不需要這種因果關係。一個神經元不會誘導另一個神經元放電。
相反，來自大腦其他部位的輸入訊號在樹突中鈣峰值（平臺電位）開始前幾秒到達海馬神經元。這些相同的輸入訊號在平臺電位結束後持續數秒。整個五秒的時間過程——初始輸入，然後是平臺電位，然後是持續之後的輸入——對應於一系列動作可能發生的相同時間間隔：孩子看到爐子，走向它，觸控火焰並縮回她的手。
更重要的是，在小鼠沿著跑道跑一次或僅跑幾次後，對特定地點發生的事情的新記憶就會在大腦中鞏固下來。研究人員還發現，當小鼠在這種學習過程發生後回到跑道時，現在經過訓練的神經元會在動物實際到達它已經學會的地點之前放電——這表明記憶有助於大腦拼湊出前方物理路徑上的東西。
該研究的資深作者馬吉現就職於貝勒醫學院，他說這種新型可塑性可能不會取代教科書中的長時程增強。但它可能為一系列相關事件如何形成記憶提供更合適的解釋。它也可能解釋大腦如何記住重要地點：例如，松鼠在哪裡儲存過冬的橡子，或者徒步旅行者在小徑上看到蛇的地方。“長期以來，人們一直懷疑長時程增強存在一些問題，而問題在於時間要求，”馬吉說。“當你用它來喚起突觸可塑性時，你必須有這個非常嚴格的時間視窗。但行為實際上發生在更長的時間尺度上——即使是非常簡單的行為也是如此。”馬吉說，他們小組的發現仍然需要重複驗證。關鍵問題仍然存在，例如，作為樹突輸入的訊號起源於大腦的哪個位置。
如果馬吉及其團隊的工作得到進一步證實，LTP 可能會被認為是幫助保持馬吉團隊發現的新型可塑性形成的記憶完好無損的過程——或者可能會發現它參與了不需要拼湊多個事件的更簡單的感覺檢測過程。加州大學洛杉磯分校的神經科學家阿爾西諾·席爾瓦沒有參與這項研究，他稱這項工作為“一項開創性的研究”，並表示它“有望改變我們對空間如何被學習和記憶的看法”。他補充說，這項研究“只是一個引人入勝的開始”。他指出，需要進一步研究以確保這一發現“實際上是學習和記憶的關鍵。例如，探索這種形式的可塑性，然後證明操縱它可以干擾和增強特定形式的學習，這將非常重要。”
紐約大學的神經科學家喬治·布扎基也沒有參與這項研究，他說：“總的來說，這是我們理解海馬體中位置場生成的機制方面向前邁出的重要一步。”他補充說，神經科學文獻包括動物大腦中建立此類位置標記的各種機制的示例，包括他自己實驗室的一項研究，該研究更符合赫布模型。
他說，海馬體還可以儲存一系列沒有物理環境感官輸入的內部事件——例如，對從未去過的地方進行心理影像——馬吉和團隊發現的行為時間尺度可塑性模型可能無法解釋這種情況。無論哪種模型佔上風，新的《科學》研究都提供了大腦科學不斷變化的另一個例子。仔細研究假定為長期理論基礎的任何給定過程的細節，都可能對理論本身提出質疑，並開闢一個全新的研究途徑。