巴普洛夫和他的狗,百年之后的故事

1897年,伟大的俄国科学家巴普洛夫(Pavlov)发表了一篇不算石破天惊,但却影响深远的文章。

巴普洛夫对狗做了一个手术,他将插管贴近狗的唾液腺。当狗分泌唾液时,唾液可以流进插管,最后流进一个测量唾液分泌量的仪器,这样就可以定量地研究唾液的分泌。

巴普洛夫为狗设计的实验装置

当狗看见食物后,会分泌大量唾液。这种反应不需要任何训练,不需要任何条件,是狗的本能反应。这个反应中,食物称为非条件刺激(US,unconditional stimuli),唾液分泌称为非条件反射(UR,unconditional response)。

如果食物和铃声同时出现,重复几次后,狗单独听到铃声就开始流口水,狗已经将铃声和食物联系了起来。换句话说,经过学习训练,一个先前完全跟唾液分泌无关的铃声刺激,如今可以引起唾液分泌。这里,铃声称为条件刺激(CS,conditional stimuli),相应的,铃声引起的唾液分泌称为条件反射。

巴普洛夫条件反射

这就是经典的条件反射实验。

在巴普洛夫之后,人们沿着巴普洛夫在荆棘中劈开的小路继续向前,如今,这条路又宽又大。今天,我们的重点是在这条路边发现的几颗肥美的果实。

条件性抑制

跟条件反射相反,有些刺激在某些情况下会抑制动物的条件反射,科学家称这种现象为条件性抑制。

举个例子。每次小明看见姥姥,都会发现姥姥带来的糖果,小明会忍不住流口水。这里姥姥就是条件刺激(CS+),糖果就是非条件刺激(US),两者已经在小明脑子里形成了联系。

但是,每次姥姥和姥爷同时出现,就没有糖果。久而久之,在小明脑子里,姥爷就和没有糖果联系了起来,而姥姥还是和糖果联系著。相对于带来糖果的姥姥(CS+,正条件刺激),姥爷称为负条件刺激(CS-)。小明见到姥姥就流口水,看见姥姥和姥爷同时出现就不会流口水,这也是条件性抑制名字的来源,姥爷就是那个负责抑制流口水的刺激。

为了进一步理解抑制性条件刺激的含义,我们再看一个例子。假如,小明的奶奶每次来也带糖果,小明看见奶奶也会流口水,奶奶是小明的另一个正条件刺激(CS+)。一直以来,奶奶都是独自来看小明。但突然有一天,身为正条件刺激的奶奶和身为负条件刺激的姥爷,肩并肩手拉手地同时来看小明,你猜小明是流口水好呢?还是不流口水好?

答案是流口水,因为有奶奶这个正条件刺激。但口水流得比平时要少,因为有姥爷这个条件性抑制存在。姥爷的出现带来了糖果泡汤的信号,部分抑制了小明的流口水反应。

条件性抑制赋予了我们预测一个奖励或事物缺席的能力。

阻断(blocking)和去阻断(unblocking)效应还举小明的例子,哥哥每周末回家都会给小明带来一个好吃的草莓蛋糕,小明看见哥哥就会流口水。最近小明哥哥交了一个漂亮的女朋友,每周末都跟着哥哥回家。和以往一样,每次哥哥回家小明都有一个草莓蛋糕吃。不一样的是,如今糖果出现时,哥哥的女朋友也会出现。

假如有一天,哥哥来晚一步,哥哥的女朋友单独先到。你猜,小明看见哥哥的女朋友会流口水吗?

答案是否定的。因为哥哥已经精准地预测了糖果的全部信息。直接忽视哥哥的女朋友,不会对小明的预测产生任何影响。因此,大脑没必要再为此生成一条冗余的神经连接,这就阻断了哥哥的女朋友和糖果之间联系的形成。也就是说,先前的条件刺激阻断了后来条件刺激的形成。什么是去阻断呢?我们来考虑另外一种情况:假如哥哥单独出现时只有一个草莓蛋糕,而每次哥哥和他女朋友同时出现,都会有两个蛋糕。因为哥哥只能预测一个蛋糕,那多出来的蛋糕会被小明归因到哥哥女朋友身上。

阻断时,没有学习发生。而跟阻断效应相反,去阻断时有新的学习发生,即多出来的蛋糕和哥哥女朋友之间的联想学习。去阻断的名字起源于阻断,是阻断效应失效的地方。条件化记忆的消除(Extinction)和恢复(recovery)小明的姥姥每次来看小明,都会带来糖果。假如有一天,小明的姥姥破产了,再也没钱给小明买糖果。久而久之,小明看见姥姥就不会再想到糖果,也不会再流口水。这就是条件化刺激的消除。

一年后的一天,小明姥姥踩狗屎中了五百万彩票,她又有钱给小明买糖果了,恢复了带糖果给小明的习惯。姥姥仅仅带来两次糖果,小明就恢复了看见姥姥流口水的条件反射,非常之迅速。

做一个对比,小明的舅舅,也就是小明姥姥的儿子,子随母富,也跟着有钱起来,每次来小明家也都带着糖果。你猜,舅舅带几次糖果才能让小明看见他就流口水?等于还是大于姥姥的两次?答案是大于。我们可以这样理解,舅舅要在小明脑子里从头开始形成条件刺激,所需时间长。而姥姥却有一定的记忆在那里。也就是说,虽然姥姥无法再引起小明的流口水反应,但这并不代表姥姥和糖果之间的神经连接的彻底消失。相反,连接只是减弱,藕断丝连,根基还在。条件合适的话可以很快生根发芽。

其实,条件化记忆的消除也可以从另外一个角度来理解。消除,也是一种学习。当我们的预测和实际结果不一致时,学习就会发生。条件化记忆消除实验中,小明预测有糖果奖励,实际上却没有任何糖果,这里存在预测误差,这里就会发生学习。

总结

巴普洛夫经典条件反射的结果,虽然已经发表了百年有余,但如今依然是神经科学的研究热点,其背后涉及的神经环路以及突触、分子机制依然没有彻底搞清楚。在巴普洛夫这棵大树的庇护下,一批又一批的科学家茁壮成长,发现了许许多多大脑的工作机制。当然,这些工作机制不是局限的,只在经典条件反射中起作用,而是广谱的、通用的神经机制。

(生物流系头条号签约作者)

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