唐纳德·赫布是一位著名的加拿大科学家，他在心理学领域取得了多项重要发现，为感知、智力和情感提供了深刻的见解。然而，他最著名的可能是他的学习和记忆理论，该理论出现在大多数神经科学基础教材中。但现在，一种替代理论——以及随之而来的实验证据——从根本上挑战了赫布思想的一些核心原则。它详细描述了细胞以及激活它们的电信号和分子信号如何参与形成一系列相关事件的记忆。
赫布的理论于 1949 年提出，认为当一个神经元（可能是由于观察周围环境而触发）的电活动反复诱导相邻的“目标细胞”发射电脉冲时，就会发生条件反射过程，并加强两个神经元之间的连接。这有点像用重物做臂弯举；经过反复举起，手臂肌肉变得更强壮，杠铃也更容易举起。在细胞水平上，一个神经元对另一个神经元的重复刺激使目标细胞在下次被激活时更容易做出反应。在基础教材中，这可以归结为一句简单的格言来描述学习和记忆的生理学：“一起放电的细胞，一起连接。”
每个理论都需要实验证据，科学家们多年来一直在努力在实验室中验证赫布的观点。许多研究发现表明，当一个神经元几乎与相邻神经元同时反复发射电脉冲（称为“动作电位”）时，它们之间的连接确实变得更有效率。目标细胞更容易放电，并且传输的信号更强。这个过程——称为长时程增强 (LTP)——显然会在目标细胞中引起生理变化或“可塑性”。LTP 通常被认为是解释大脑如何在细胞水平上学习和形成记忆的一种可能机制。
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但长时程增强留下了一些悬而未决的问题。当我们遇到新事物时，这种体验通常是以一系列事件的形式发生的，持续至少几秒钟——而不是像 LTP 所假设的那样是几分之一秒——但记忆仍然会形成。学习也不一定需要多次接触某个事件：一个孩子看到几英尺外的炉子上诱人的蓝色和黄色火焰。她走向炉子，慢慢抬起一根手指，然后迅速缩回手。一次就足以让她终生记住这个教训。
9 月 8 日发表在《科学》杂志上的一篇新论文为霍华德·休斯医学研究所珍利亚研究园区杰弗里·马吉和其他研究人员认为的更合理的解释提供了证据，即一系列事件如何形成对某个地方的记忆。在他们的实验中，一只沿着跑道奔跑的小鼠在五秒钟内创建了跑道上特定位置的记忆——在神经科学术语中称为“位置场”。位置场在小鼠仅遍历跑道一次后就植入到大脑中称为海马体的区域。
动作发生在突触中，突触是神经元之间微小的裂缝，信号从一个细胞传递到另一个细胞。来自小鼠大脑另一部分的视觉、触觉或其他输入通过称为轴突的长神经元纤维传递，越过到达称为海马体的区域中的目标细胞。输入触发一组信号的产生，这些信号在海马体目标细胞上称为树突的微小突起中持续数秒。
在这种形式的可塑性中，海马细胞中的关键信号不是亚毫秒级的动作电位，而是在目标细胞树突中持续长达数百倍的称为“平台电位”的电信号。平台电位导致相对大量的钙进入目标神经元的膜，这引发了一系列事件，导致细胞自身内部的分子和结构变化。在小鼠仅跑了几次跑道（有时只有一次）后，海马神经元经历了这种生化学习过程，并形成了一个位置场，当小鼠再次经过该地点时，该位置场会被激活。因此，当位置场激活时，动物现在“知道”跑道上的这个定义位置。
这种新发现的学习过程与教科书中长期存在的 LTP 概念在基本方面有所不同。LTP 需要（正如赫布所预测的那样）一个神经元反复发送输入信号，导致附近的神经元发射亚毫秒级的脉冲。马吉及其同事的发现——被称为“行为时间尺度突触可塑性”——不需要这种因果关系。一个神经元不会诱导另一个神经元放电。
相反，来自大脑其他部位的输入信号在树突中钙峰值（平台电位）开始前几秒到达海马神经元。这些相同的输入信号在平台电位结束后持续数秒。整个五秒的时间过程——初始输入，然后是平台电位，然后是持续之后的输入——对应于一系列动作可能发生的相同时间间隔：孩子看到炉子，走向它，触摸火焰并缩回她的手。
更重要的是，在小鼠沿着跑道跑一次或仅跑几次后，对特定地点发生的事情的新记忆就会在大脑中巩固下来。研究人员还发现，当小鼠在这种学习过程发生后回到跑道时，现在经过训练的神经元会在动物实际到达它已经学会的地点之前放电——这表明记忆有助于大脑拼凑出前方物理路径上的东西。
该研究的资深作者马吉现就职于贝勒医学院，他说这种新型可塑性可能不会取代教科书中的长时程增强。但它可能为一系列相关事件如何形成记忆提供更合适的解释。它也可能解释大脑如何记住重要地点：例如，松鼠在哪里储存过冬的橡子，或者徒步旅行者在小径上看到蛇的地方。“长期以来，人们一直怀疑长时程增强存在一些问题，而问题在于时间要求，”马吉说。“当你用它来唤起突触可塑性时，你必须有这个非常严格的时间窗口。但行为实际上发生在更长的时间尺度上——即使是非常简单的行为也是如此。”马吉说，他们小组的发现仍然需要重复验证。关键问题仍然存在，例如，作为树突输入的信号起源于大脑的哪个位置。
如果马吉及其团队的工作得到进一步证实，LTP 可能会被认为是帮助保持马吉团队发现的新型可塑性形成的记忆完好无损的过程——或者可能会发现它参与了不需要拼凑多个事件的更简单的感觉检测过程。加州大学洛杉矶分校的神经科学家阿尔西诺·席尔瓦没有参与这项研究，他称这项工作为“一项开创性的研究”，并表示它“有望改变我们对空间如何被学习和记忆的看法”。他补充说，这项研究“只是一个引人入胜的开始”。他指出，需要进一步研究以确保这一发现“实际上是学习和记忆的关键。例如，探索这种形式的可塑性，然后证明操纵它可以干扰和增强特定形式的学习，这将非常重要。”
纽约大学的神经科学家乔治·布扎基也没有参与这项研究，他说：“总的来说，这是我们理解海马体中位置场生成的机制方面向前迈出的重要一步。”他补充说，神经科学文献包括动物大脑中创建此类位置标记的各种机制的示例，包括他自己实验室的一项研究，该研究更符合赫布模型。
他说，海马体还可以存储一系列没有物理环境感官输入的内部事件——例如，对从未去过的地方进行心理图像——马吉和团队发现的行为时间尺度可塑性模型可能无法解释这种情况。无论哪种模型占上风，新的《科学》研究都提供了大脑科学不断变化的另一个例子。仔细研究假定为长期理论基础的任何给定过程的细节，都可能对理论本身提出质疑，并开辟一个全新的研究途径。