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海马体

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海马体
位于大脑颞叶内侧的海马体。本图为人类大脑的侧视图,额叶位于左侧,枕叶位于右侧。而颞叶和顶叶已经移除。
海马体(图下粉红色部分)属于边缘系统
细节
拉丁语Hippocampus
属于颞叶
识别标示
TAA14.1.09.321
FMAFMA:275020
MRI冠状切面,红色部分为海马体。
MRI冠状切面,红色部分为海马体。

海马体(英语:Hippocampus),是人类及脊椎动物中的重要部分。目前在有海马体的动物身上发现的海马体皆成对出现,分别位于左右脑半球。它是组成大脑边缘系统的一部分,位于大脑皮质下方,担当着关于短期记忆长期记忆,以及空间定位的作用[1]。灵长类的海马体位于内侧颞叶,拥有海马角[2]齿状回英语dentate gyrus等构造。

海马体名字来源于这个部位的弯曲形状貌似海马

阿兹海默病中,海马体是首先受到损伤的区域:表现症状为记忆力衰退以及方向知觉的丧失。大脑缺氧(缺氧症)以及脑炎等也可导致海马损伤。 在动物解剖中,海马体属于脑的演化过程中最古老的一部分。来源于旧皮质的海马体在灵长类以及海洋生物中的类中尤为明显。虽然如此,与进化树上相对年轻的大脑皮层相比,灵长类动物尤其是人类的海马体在端脑中只占很小的比例。相对新皮质的发展,海马体的增长在灵长类动物中的重要作用是使得其脑容量显著增长。

研究史

海马
海马
海马的三维位置
海马的三维位置

解剖学家Giulio Cesare Aranzi(约1564年)首先使用海马(hippocampus)一词形容这一大脑器官,源于此部位貌似海马。这一部位最初被认为司控嗅觉,而非现在周知的记忆储存作用。俄国学者Vladimir Bekhterev于1900年左右基于对一位有严重记忆紊乱的病患者的长期观察,首先提出海马体与记忆相关。但是,其后的很长时间,学界习惯上关于海马体的作用都被认为和其他大脑边缘系统一样,司控情绪。

1957年Scoville与Milner关于著名的病人H.M.的病例报告引起了众多科学家的关注,并使人开始认识到海马体对记忆起重要作用。为减轻H.M.时常发作的癫痫症状,其脑内侧颞叶被切除(包括当中的两个海马体),由此导致了一系列的相关空间以及时间的记忆损伤。重要的是HM仍然能完成程序性任务的学习(这一点与纹状体相关联),甚至有着高于常人水平的智商。H.M.的智能与陈述性记忆展现出显著的分裂。绝大多数的哺乳类动物海马体的大小取决于脑容量的大小,但是类这一部位的发育相对不完全。

研究成果

海马体是哺乳类动物的中枢神经系统中的脑的部分(大脑皮质)中被最为详细研究过的一个部位。

在解剖学以及组织学上,海马具有一目了然的明确构造。海马内部有形成形态美观的层面。也就是神经细胞的细胞体与其神经网区域呈层状排列。

海马,是被称作“海马区”(hippocampal region)的大脑边缘系统的一部分。海马区可分为:齿状回(dentate gyrus)、海马、下托(subiculum)、前下托(presubiculum)、傍下托(parasubiculum)、内嗅皮质(entorhinal cortex)。这之中齿状回、海马、下托的细胞层为单层,合称“海马结构(hippocampal formation)”,其上下夹有低细胞密度层和无细胞层。此外的部位有复数的层面构成。齿状回与海马的单层构造对神经解剖学以及电生理学的研究进步作出了贡献。

20世纪初,开始有科学家发现海马对于某些记忆以及学习有着基本性的作用。特别是1957年Scoville和Milner报告了神经心理学中很重要的一个病例。这是来自一位被称为H.M.的病人(亨利·古斯塔·莫莱森)的病者报告,亨利·莫莱森算是神经学领域中被检查得最详细的人。由于亨利长期被癫痫症状困扰,神经外科医生斯科维尔 (William Scoville)决定为他进行手术,他在他额头两侧做了局部麻醉,钻了两个小孔,用一根金属吸管吸出大部分海马组织(Hippocampus)以及海马周围的部分内侧颞叶组织。手术后,亨利的癫痫症状被有效控制,但自此以后失去了形成新的陈述性长时记忆的能力。这个发现令许多人想进一步了解海马区在记忆及学习机制的作用,因而成为一种流行,无论在神经解剖学、生理学、行为学等等各种不同领域,都对海马区做了相当丰富的研究。现在,海马区与记忆的关系已经为人所知。

许多人对海马区与癫痫发作的关系也有很浓厚的兴趣。海马区在脑中为发作阈值低的部位。因为几乎所有癫痫患者的发作皆由海马区所起始,像这类以海马区为主的发作,有许多时候是很难以药物治疗的。而且,海马区中有一部分,尤其是内嗅皮质,为阿尔兹海默氏症最先产生病变的地方,海马区也显示出容易因贫血、缺氧状态而受伤害。

海马区在解剖学以及机能构造上都是其它大脑皮质系统的研究样本。大脑皮质在最近开始被关注与研究,现在已知的关于中枢神经系统的突触传导的见解多受益于海马区的研究。而海马区的相关知识则多源于齿状回与海马的标本。

解剖

海马,DG:齿状回
海马,DG:齿状回

尽管关于海马与其向邻近的大脑皮层的表述尚缺乏一致的观点,通常情况下术语上的“海马结构”指的是齿状回,CA1-CA3部位(或CA4,常称为hilus区并被认为是齿状回的一部分),以及脑下脚(另见阿蒙神之角)。CA1与CA3部位构成严格意义上的海马。

信息进入海马时由齿状回流入CA3到CA1再到脑下脚,在每个区域输入附加信息在最后的两个区域输出。CA2只占海马的一个很小部分通常将其对海马的功能忽略,值得注意的一点是这一小区域似乎能抵抗由于例如癫痫等造成的大规模的细胞破坏。

人们普遍认为这些区域的每一部分在海马的信息处理过程中都扮演着一个具有独特功能的角色,但迄今为止对每一区域功能的细节还不甚了解。

一般记忆中的作用

啮齿类动物的海马神经系统图,圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔于1911年所绘
啮齿类动物的海马神经系统图,圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔于1911年所绘

心理学家与神经学家对海马的作用存在争论,但是都普遍认同海马的重要作用是将经历的事件形成新的记忆情景记忆或自传性记忆)。一些研究学者认为应该将海马看作对一般的陈述性记忆起作用内侧颞叶记忆系统的一部分(陈述性记忆指的是那些可以被明确的描述的记忆,如“昨天晚饭吃了什么”这样的关于经历过的事情的情景记忆,以及“地球是圆的”这样的关于知识的概念记忆)。

有迹象显示,虽然这些形式的记忆通常能终身持续,在一系列的记忆强化以后海马便中止对记忆的保持。海马的损伤通常造成难以组织新的记忆(顺行性失忆症),而且造成难以搜索过去的记忆(逆行性失忆症)。尽管这样的逆行性效果通常在脑损伤的很多年之前就开始扩展,一些情况下相对久远一些的记忆能够维持下来。这表明海马将巩固以后的记忆转入了脑的其他的部位。但是,旧的记忆是如何储存的要用实验来检测的话存在一些难点。另外,在一些逆行性失忆症案例中,在海马遭受损伤的数十年前的记忆也受到了影响,导致了这一关于旧的记忆的观点的争议。

海马的损伤不会影响某一些记忆,例如学习新的技能的能力(如学习一种乐器),将设这样的能力依靠的是另外一种记忆(程序记忆)和不同的脑区域。有迹象表明著名的病人HM(作为治疗癫痫病的手段他的内侧颞叶被切除)有组织新的概念记忆的能力。

空间记忆以及方向定位中的作用

老鼠的空间记忆实验,点表明在记录动作电位的位置,颜色显示的神经元发出的动作电位。
老鼠的空间记忆实验,点表明在记录动作电位的位置,颜色显示的神经元发出的动作电位。
莫里斯水迷宫测试老鼠能否记得游回水中的小浮台

有些证据提供以下的线索:空间讯息的储存与处理牵涉到海马体。在老鼠的海马区里,插一根记录单个神经细胞的电极(electrode),让老鼠在一个开放式的试验区域自由的跑动,老鼠沿高架轨道来回跑动,停在各端吃小食品作为奖励,同时记录神经细胞的动作电位 (action potential)和老鼠跑的路线及位置,当老鼠跑到实验房间的某个地方的时候,海马体内的某一个特定的神经细胞A就会动作 (active),而周围的其他细胞是不动作 (inactive)的,而跑到其他地方的时候,这个A细胞就不会动作 (inactive),而另外一个或多个细胞就会放电 (fire),这种对自身在环境中所处位置而产生对应反应的神经细胞,被称为定位细胞(place cells)。对于每个 place cell 所对应的实际位置区域便被定义为 place field。通过一系列的实验约翰·奥基夫 (O’Keefe) 推测,这些 space cells 组合在一起,形成了一个认知地图(cognitive map)。通过和其他在海马体内以及周围区域的神经细胞一起合作,place cells 其着如同一张地图的作用。老鼠实验的研究显示,海马体的神经元有空间放电区,这些细胞称为地点细胞(place cells)。如果老鼠发现自己处在某个地点,不论该老鼠移动的方向为何,有些细胞会发电,而大部分的细胞至少会对头的方向、移动方向感到敏感。在老鼠身上,有些细胞称为分野细胞(splitter cells),该种细胞的发电取决于动物的近期经验(回顾记忆;retrospective memory)、或是期待即将的为来(前瞻记忆;prospective memory)。根据不同的身处地点,不同的细胞会发电;因此,只要观察细胞的发电情形,就可能指出动物身处的地点。在人类身上,当人们在虚拟世界的城镇里在寻找方向时,就会牵涉到“地点细胞”。这样的发现是源于如下的研究:在严重癫痫患者的大脑里面植入电极,当作是患者在手术过程中诊断的方式。

发现了“地点细胞”,让世人觉得海马体可能扮演“认知地图”(cognitive map)的角色,而认知地图就是环境格局的神经重现。然而,针对这样的观点,近期的证据提出怀疑,并且指出海马体对于“寻找方向”(navigation[来源请求])更根本的过程非常重要。尽管如此,动物实验显示,即使要完成简单的空间记忆活动,健全的海马体是必要的(譬如把目的地藏住,要动物找路回去)。

若海马体不健全,人类可能就无法记住曾经去过的地方、以及如何前往想去的地点。研究人员相信,若要在熟悉环境之间找出捷径、以及新的路线,海马体扮演极重要的角色。针对这样寻找方向的能力,有些人比其他人能力强;此外,大脑显影研究显示,这些寻找方向能力比较好的人,在寻找方向时,他们的海马体比较活跃。

研究者从老鼠迷宫中理解空间记忆

另外,伦敦计程车司机必须要记住很多地点,并且知道这些地点之间最直接的路线(他们必须通过严格的考试,该考试名为“知识”,英文名是“The Knowledge”,才能得到伦敦著名的黑色计程车“black cab”的驾驶执照)。在伦敦大学学院[3]的研究显示,相较于一般民众,伦敦计程车司机的海马体体积较大,至于更有经验的计程车司机的海马体体积又更大。然而,有较大的海马体是否有助于成为计程车司机、或是成为计程车司机或以找捷径为生是否能够使得一个人的海马体变大仍待研究。

印第安那大学进行的老鼠实验提出了如下的可能性:在反复的迷宫实验里观察老鼠的表现,海马体的型态跟“两性异形”息息相关。对于将地点空间化、找出自己所在,公老鼠表现比较好,因为公老鼠的海马体体积比较大。

脑中定位系统

2014年诺贝尔生理学或医学奖授予了约翰·奥基夫 (John O'Keefe)和莫泽夫妇、迈-布里特·莫泽 (May-Britt Moser)、 爱德华·莫泽 (Edvard Moser)。 奥基夫在1971年发现了海马区中的位置细胞英语place cell ,莫泽夫妇在2005年发现了内嗅皮质中的网格细胞 ,它们构成了脑中定位系统的细胞基础(cells that constitute a positioning system in the brain)。[4]

图片

  • 从不同的角度观看红色海马的位置。
    从不同的角度观看红色海马的位置。
  • 海马在脑的部位。
    海马在脑的部位。
  • 海马的基本路线,DG:海马齿状回、Sub:海马下托区、EC:内嗅皮质。
    海马的基本路线,DG:海马齿状回、Sub:海马下托区、EC:内嗅皮质。
  • 尼氏染色猕猴大脑的冠状切面,(圆圈)显示海马。
    尼氏染色猕猴大脑的冠状切面,(圆圈)显示海马。
  • 大脑的海马区(左)和海马(右)。
    大脑的海马区(左)和海马(右)。

参考资料

  1. ^ Wright, Anthony. Chapter 5: Limbic System: Hippocampus 页面存档备份,存于互联网档案馆. Department of Neurobiology and Anatomy, The UT Medical School at Houston
  2. ^ Pearce, 2001
  3. ^ Macguire et al, 2000
  4. ^ The 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine (PDF). The Nobel Assembly at Karolinska Institutet. 2014-10-06 [2014-10-06]. 
  • Brain Systems Underlying Declarative and Procedural Memories in Neuroscience second edition by Dale Purves, et al (2001) Published by Sinauer Associates, Inc. ISBN 0-87893-742-0
  • Mizuno K. and Giese K.P. Hippocampus-dependent memory formation: do memory type-specific mechanisms exist?. Journal of Pharmacological Sciences. 2005, 98 (3): 191–7. doi:10.1254/jphs.CRJ05005X. 
  • Broadbent N.J., Squire L.R. and Clark R.E. Spatial memory, recognition memory, and the hippocampus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2004, 101 (40): 14515–20. doi:10.1073/pnas.0406344101. 
  • Macguire, E.A.; 等. Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2000, 97 (8): 4398–4403. doi:10.1073/pnas.070039597. 

链接

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