第一章 雙痕記：海馬與杏仁核在情境恐懼制約中的角色
一 前言
生理心理學（亦稱生物心理學或行為神經科學）在臺灣的建立與發展已經超過四十年。這領域旨在探討行為的神經、內分泌或遺傳基礎。本地的生心研究者致力於用動物模型（齧齒類、獼猴或迷你豬）探討正常行為或神經與精神疾患的心理生物機制（Chang, Chen, Wang, & Lai, 2016；Li & Li, 2013; Xing, Yeh, Gordon, & Shapley, 2014; Yeh, Cheng, Xiao, et al., 2020; Weng, Tikhonova, Chen, et al., 2016），澄清神經解剖（Wang, Liao, & Wang, 2017; Hsiao, Liao, & Tsai, 2013）、神經生理（Kuo, Chiou, Liang, & Yen, 2009; Xing, Yeh, Burns, & Shapley, 2012）或神經化學之細胞與分子層次的相關運作（Chen, Ma, Lin, Cheng, Hsu, & Lee, 2017; Liao, 2018; Mishra, Cheng, Lee, & Tsai, 2009）。生心學者在臺灣雖屬於少數，但他們的發現對於該領域一些議題曾做出有意義的貢獻，甚至對行為理論有所啟發。這些研究雖然只有少數發表於《中華心理學刊》（Hung, Hsieh, & Li, 2015; Liang, 1999; Liang & Hsu, 1975; Shen & Liao, 2007），但對於臺灣生心領域的成長與茁壯卻積極參與。由於多數生心研究成果發表於國際學術期刊，因此本文有別於本書其他篇章，不以回顧中華心理學刊的著作為主，而企圖以本實驗室一系列性研究為核心，輔以本地同儕的研究成果，討論臺灣心理學界近年對一個重要的心腦議題的探索與思考。
過去四十年，臺灣生理心理學研究的焦點之一是學習與記憶的神經基礎。該議題目前已經跳脫出記憶僅有一種形式，而腦中僅單一區域負責記憶的古典思潮，取而代之的是，不同形式的記憶由不同的腦部結構負責其習得、儲存與提取（Knowlton & Squire, 1993）。是故學習行為會涉及腦部負責接收訊息與執行反應的一群神經組織，而相關的記憶痕跡（engram）會儲存在該組織迴路中的某一關鍵結構，例如酬賞記憶在紋狀體（striatum），空間記憶在海馬（hippocampus），恐懼記憶在杏仁核（amygdala），而感覺動作記憶則在執行該項功能的相關皮質（Squire, 2004; White & McDonald, 2002）等等。這多重記憶系統（multiple memory systems）的觀點本質上依然不脫一個功能區位化（functional localization）的傳統，只不過是將記憶依學習作業的特性，以人為認定的方式分成多種樣態，而每一樣態的記憶還是被歸諸腦部單一特定結構中。國內研究也多以此觀點為依歸。
許多研究顯示，學習歷程會啟動核心腦區之外的其他神經結構。然而，面對單一記憶作業涉及多重腦區的發現，有些學者認其他腦區並非關鍵儲存區的活化，只不過是訊息輸入與反應輸出所經之處，它們的功能不過是協助核心記憶區獲取資訊或執行憶痕的行動，這樣的功能不涉及神經可塑性（neural plasticity）。但是隨後研究發現感覺與運動迴路在學習歷程中顯現明確而持久的改變。這些神經變化引發兩種不同的解釋：其中一個是維持核心腦區域是憶痕的關鍵所在，輸入端的神經變化是一步步促成最終核心憶痕的漸進改變，而輸出端的變化則為反映並執行核心憶痕的衍生性變化（Cohen, 1985）。另一個解釋則認為一個學習作業其實含有多樣的訊息，神經系統多重的變化，反映出腦部需啟動多個不同的記憶系統，以完整地表徵各式訊息。這兩個觀點依舊承認某一種訊息是依賴一個特定腦區或系統儲存的觀點。
這篇文章想要提出一個有別於上述觀點的思維：即不同的腦區可能用不同的方式保全同一種訊息，單一訊息的憶痕在腦中有不同複本。換言之，針對特定訊息，腦可有一個以上的核心憶痕與之對應，它們隨著腦區神經運作的差異，會表徵訊息的不同面向或運用於不同情境。這觀點早年在學習記憶神經理論的某些經典著作中曾被提及（Hebb, 1949; Konorski, 1976），但近代學者並未多加注意。本文以下的篇幅將先介紹本實驗室對於兩個主要的邊緣系統結構—海馬與杏仁核—都參與情境恐懼制約（contextual fear conditioning）中情境與電擊的聯結，但卻以不同的方式完成此一使命，並各自運用於不同情境。然後我們將對同一資訊擁有雙重記憶神經表徵的意義作深入的討論。
二 情境恐懼制約神經機制的流行模式與相關問題
恐懼制約是研究形成恐懼記憶的模式作業（model task）之一，它讓大鼠或小鼠在一個情境中，學習電擊將會隨機出現或在某一條件刺激（CS，例如：聲音）之後出現。爾後老鼠回到同一情境或遭遇到該CS時，便會顯出種種害怕反應，例如：僵懼不動（freezing）（Blanchard & Blanchard, 1969）。不少證據顯示海馬與杏仁核參與此一學習（Maren, 2001）。目前最流行的解釋模型是這兩個結構分別表徵此學習中不同的事件（Fendt & Fanselow, 1999）：海馬先整合所有的靜態環境線索成為一情境表徵，而杏仁核負責將CS或是海馬送來的情境表徵與電擊形成聯結（圖1-1）。
這解釋模型是基於下述研究發現：破壞背側海馬會損及情境恐懼的習得、保留或提取，但對於有CS出現的線索恐懼制約（cued fear conditioning）卻沒影響（Maren & Fanselow, 1997）；相對的，破壞底側杏仁核（basolateral amygdala）會損及依賴線索與情境兩種恐懼制約學習（Phillips & LeDoux, 1992）。由於這兩種學習都涉及中性刺激（情境或聲音線索）與電擊的聯結，但只有情境恐懼制約需要整合情境線索，這便導致海馬負責情境整合而杏仁核負責電擊聯結的結論，如圖1-2所示。
現行一些證據確實符合杏仁核擔負聯結情境與電擊角色的功能，例如另一恐懼作業—抑制型逃避學習—所示：在杏仁核內注射一些藥物會影響這個作業的記憶形成（Liang, 2006; 2009），而學習這個作業會改變底側杏仁核的神經活動（Chang, Liang, & Yen, 2005）。被認為與學習記憶有關的神經可塑性長效增益作用（LTP, long-term potentiation）—會出現在杏仁核中，促進LTP的藥物YC-1也對抑制性逃避反應的記憶有幫助（Chien, Liang, Teng, Kuo, Lee, & Fu, 2003）。在學習這作業後兩個小時後，涉及神經活化的立即早期基因fos也會在杏仁核強烈表現（Huang, Shyu, Hsiao, Chen, & He,2013）。
然而，杏仁核涉入中性刺激與負向情緒連結的證據，並不排斥其他腦組織也可能具有同樣的功能（Hu, Liu & Yu, 2015; Liang, Hu, & Chang, 1996）。海馬沒有參與情境—電擊聯結的想法其實來自間接證據，因而需要更精確的推敲與審視。它主要基於一個極端功能區位化的觀點—一腦區只負責一心智功能且一心智功能僅由一腦區負責；換言之，心智功能與腦部結構只有一對一的映射關係。在此觀點下，一但杏仁核被認定負責中性刺激與電擊聯結，海馬就不會擔負同樣的角色。這一預設與心腦對應間具有多餘性（reduncancy）或冗裕性（degeneracy）的觀點大相逕庭。過去理論或研究無論是談及杏仁核或海馬，多只著重強調兩者在情緒或記憶的功能，甚少提及它們還在其他的認知活動扮演角色。
基於一功能可由多腦區支援而一腦區可參與多項行為的觀點，多年前本實驗室曾重新檢視海馬與杏仁核在情境恐懼制約的角色。當我們審視過去研究如何探討這一問題時，發現許多先前的實驗無法清楚地切割情境恐懼制約中形成情境表徵與聯結情境—電擊兩個歷程。這些研究將老鼠置於一特定環境中然後施予不可逃避的電擊。在這種操作下，形成情境表徵並將其聯結上電擊兩個歷程會在同一個學習嘗試中完成（圖1-3上半）。若要能清楚認定這兩個區域擔負的功能，則在情境恐懼制約中，表徵情境與聯結電擊兩個歷程需能被隔離區分，這樣涉及的神經結構才能清楚地被評估。我們第一個系列實驗（Chang, Chen & Liang, 2008）採用兩階段的訓練方式來達成這個目的：在訓練的第一階段大鼠被放入一個陌生情境中自由探索，不接受任何電擊；次日，牠重回該情境中20秒後接受電擊，一天後接受記憶測試。第一天所形成的情境表徵原則上來自潛伏學習（latent learning），在第二天電擊之前，行為不會有任何外顯的改變。但接受電擊之後，第三天的測試階段就表現出明顯的情境恐懼反應（Fanselow, 1990; Rudy & O’Riley, 1999）。這實驗典範容許我們獨立操弄形成情境表徵與聯結電擊時的海馬功能，以釐清這個結構在兩種歷程中所扮演的角色（圖1-3下半）。
三 以兩階段情境恐懼制約潛伏學習模式區隔表徵情境與聯結電擊兩歷程
利用上述兩階段訓練模式，我們證實若有足夠的前置探索經驗，可產生相當程度的恐懼制約，僵懼反應大小會正比於第二天電擊的強弱。接著我們根據圖1-3分別在第一天（形成情境表徵）與第二天（聯結情境—電擊）學習前注射局部麻醉劑二丁卡因（lidocaine）來抑制海馬的功能。根據流行的解釋模型，在第一天前置探索階段壓抑海馬會減損第三天的恐懼制約反應，而在第二天接受電擊的階段壓抑海馬則否。我們卻發現不論在第一或第二天的學習階段壓抑海馬都會損害第三天的恐懼制約反應（Chang et al., 2008），暗示海馬不僅參與形成情境表徵，也參與它和電擊的聯結，這結果並不支持現行模式對情境恐懼制分工的看法。
這一學習前處置（pretraining treatment）的效果未必是來自對學習記憶本質的影響，它可能損及感覺或運動功能而使學習表現變差。然而利用先前本實驗室發展的電擊驚跳反應測試（Chen et al., 2000）卻發現海馬內注射二丁卡因不影響電擊敏感度。記憶受損亦非來自藥物產生「狀態依存效果」（state-dependent effect），因為在電擊學習（第二天）與恐懼測試（第三天）階段都給予海馬二丁卡因，並不會使得喪失的記憶回復。尤有進者，在電擊學習後立即壓抑海馬也能造成記憶缺失，但隔數小時再壓抑就沒有影響，這結果排除任何表現因素涉入，顯示海馬確實參與了情境—電擊聯結歷程的記憶穩固（memory consolidation）（Chang et al., 2008）。
已經形成的記憶在提取之後可能會經歷重新穩固的歷程（Nader, Schafe & LeDoux, 2000），因此任何給在提取嘗試的處置有可能妨礙記憶的「再穩固」（reconsolidation）歷程。所以，當第二天情境表徵被提取與電擊聯結時，壓抑海馬的效果可能來自干擾表徵記憶要回存時的再穩固歷程，而非情境與電擊的聯結記憶無法形成。當一隻老鼠無法回存表徵記憶時，即使可以形成情境—電擊聯結也無法提取，因為它已記不得提取的線索。然而這個可能性被兩項證據排除：如果觀察到的記憶缺失真是因為情境表徵記憶再穩固的缺陷，則任何阻斷再穩固的處置都可產生同樣的效果。我們在第一天的前置探索與第二天的電擊聯結中間多插入一情境提取的嘗試，將老鼠放入探索情境後取出壓抑其海馬，如果原先觀察到的效果是基於干擾了表徵記憶的再穩固，這一處置同樣也會干擾該歷程，使得第三天的恐懼反應降低，但是這結果並未出現（Chang et al., 2008）。
支持海馬涉入情境—電擊聯結的第二線證據來自線索提示的實驗。在這個實驗中，情境在暴露時與一個額外線索聯結，然後在情境—電擊聯結學習的階段，動物在進入情境接受電擊前就先給予這一線索，提取出情境表徵，這樣動物放入情境時就無需再提取表徵，可立刻接受電擊形成情境—電擊聯結的記憶（Rudy & O’Riley, 1999）。我們發現，有效的提取線索較無效的線索有助於情境恐懼制約的形成。在呈現提取線索活化情境表徵之後，尚未施予電擊之前，以壓抑海馬可以有效減損測試階段的情境恐懼記憶，原因該是情境表徵雖被提取，但聯結電擊時海馬已經失去功能，所以情境與電擊無法聯結。
我們更進一步發現，上述的處置影響一天後的長期記憶，不影響一小時內的短期記憶，支持海馬是穩固情境—電擊聯結記憶之所需；如若恐懼記憶的喪失是因情境表徵無法再穩固而回存，則應長期記憶與短期記憶都會因缺乏提取線索而受損。若在呈現提取線索之後、施予電擊之前，在海馬注射拮抗劑APV阻斷NMDA受體，壓抑長效增益作用的引發，一樣可以損害第三天情境恐懼記憶（Chang et al., 2008）。這一連串的實驗結果顯示海馬不僅參與情境表徵記憶，也參與電擊聯結記憶。海馬同時介入此二歷程引發下述問題：第一、這兩個歷程是依賴海馬相同或不同的神經機制？第二、海馬與杏仁核既然都參與情境—電擊的聯結，它們是否以同樣的方式執行同一任務？下面兩節將分別探討這兩個問題。
四 兩學習歷程在海馬內的雙重解離
海馬內眾多不同的神經傳導系統擔負不同的功能。我們首先探究它們在此二學習記憶歷程中的角色，檢驗某一系統是否參與表徵情境以及聯結電擊的歷程。先前一研究指出海馬的麩胺酸（glutamate）、乙醯膽鹼（acetylcholoine）、珈瑪氨基丁酸（GABA）以及血清素（serotonin，5-HT）系統都涉及學習與記憶（Farr, Flood, & Morley, 2000），我們在情境恐懼制約潛伏學習的不同訓練階段，分別興奮海馬GABAA或5-HT1A受體或阻斷乙醯膽鹼之蘑菇鹼（muscarinic）或麩氨酸之NMDA受體。為避免藥物影響學習或回憶時的表現，我們採用「學習後注射」（post-training regimen）的施藥模式來探討這些受體在記憶穩固的角色。
實驗結果顯示，背側海馬內不同神經傳導素系統，在兩學習歷程中呈現清楚的雙重解離。情境表徵學習後在海馬注射GABAA致效劑毒蕈胺（muscimol）會損害恐懼記憶，但在電擊聯結學習後注射此藥則沒有影響。相對的，在電擊聯結學習後注射蘑菇鹼拮抗劑東莨菪鹼（scopolamine）會損害恐懼記憶，但在情境表徵學習後注射此藥物則無效。效果的大小依賴藥物注射的劑量與給予的時間而異，越接近學習越有效，顯示受影響的是記憶穩固歷程。相對於GABAA系統在表徵情境記憶的角色與蘑菇鹼系統在表徵電擊聯結的角色，以8-OH-DPAT興奮5-HT1A受體，或以APV阻斷NMDA受體並未造成明顯影響。所以這兩種受體在測試的劑量下，對於情境表徵或電擊聯結記憶穩固歷程的參與遠不如前兩種受體關鍵（Chang & Liang, 2012）。
海馬同時參與情境表徵與電擊聯結兩個學習歷程引發的另一個問題是它和杏仁核是否用同一機制完成該項任務。許多證據認為，杏仁核在恐懼條件化歷程中形成與儲存CS-US的單向聯結（Fanselow & LeDoux, 1999）。海馬的細胞雖亦參與肌肉反應的古典條件學習（Berger, Alger & Thompson, 1976），但只在特定的情況下有因果關係，如CS+與CS-的區辨逆轉（reversal of discrimination）（Miller & Steinmetz, 1997）或痕跡制約學習（trace conditioning）（(Huang, Chiang, Liang, Thompson, & Liu, 2010; Solomon, Vander Schaaf, Thompson, & Weisz, 1986; Wang, Phang, Hsu, Wang, Huang, & Liu, 2013）。由於上述的研究中，情境表徵的形成與情境—電擊的聯結相隔一天，因此，操弄海馬的效果，可能只是反映了對於情境恐懼制約中的痕跡制約學習的損害。但此一想法依然是將海馬與杏仁核的不同角色，歸諸學習作業上的差異。我們將於下節中提出一有別於此的觀點：亦即海馬與杏仁核皆同時參與情境—電擊的聯結學習，唯兩者使用不同策略，並形成不同屬性的記憶內容。
五 海馬與杏仁核在登錄情境—電擊聯結的不同策略
我們透過比對杏仁核與海馬在提取恐懼記憶時的不同表現，來推論此二神經結構是否以同一策略收錄、處理情境—電擊聯結。前面提到，在杏仁核中CS與US是形成簡單的反射聯結（simple reflexive association），這聯結支援CS單向提取US或非制約反應（UR）。然而，過去研究顯示海馬會將所遭遇的眾多刺激整合為一群組，稱為「組態記憶」（configural memory）。組態記憶的一個特徵是回憶時群組中任一成分都足以提示整體，這稱為「樣型整補」（pattern completion; Hebb, 1949; O'Reilly & McClelland, 1994）。在這個觀點下，我們上述實驗在測試涉及海馬的恐懼記憶時，不僅可藉呈現訓練情境（CS）提取記憶，也可在從未遭遇過的新情境中，藉呈現併入記憶組態中的任一成分（包括US電擊在內）都足以提取記憶。相對的，涉及杏仁核的簡單反射記憶只容許原訓練情境引發對於電擊的恐懼，電擊本身是無法逆向地引發CS所導致的事件，因為古典制約學習中極難建立後向制約（backward conditioning）。
基於上述看法，我們利用直接與中介兩種樣型整補來測試依賴海馬與杏仁核的恐懼記憶到底有無差異（見圖1-4）。在直接樣型整補（direct pattern completion）的記憶作業中，大鼠在前兩日接受上述兩階段情境恐懼制約的潛伏學習式訓練。然後分別在原來的訓練環境與新環境中提取恐懼記憶，但在新環境測試中出現一電擊作為提取線索（Chang & Liang, 2017）。我們的結果顯示，如果沒有電擊作為提取線索，僵懼制約反應只在訓練情境中出現，不會在新情境中出現；但如果新環境給予一電擊做提取線索，僵懼反應就會大幅提升。這僵懼並非全由提醒電擊所引發，因為先前受過制約訓練的老鼠會比先前沒有受過訓練的老鼠有更強烈而持久的僵懼反應，顯示這僵懼反應來自先前制約學習的記憶。直接樣型整補的效果依賴海馬的組態記憶：在電擊訓練之後，立即壓抑海馬會阻斷在新環境中藉由電擊提醒的僵懼反應以及在原訓練環境中的僵懼反應。相對的，電擊訓練後壓抑杏仁核只降低原訓練環境中的僵懼反應。當老鼠因海馬被壓抑而無法形成情境—電擊的組態記憶時，在新環境中即使受到電擊，也僅有微弱的僵懼反應，可見正常老鼠在此狀況下的僵懼應是CR而非UR。
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