多巴胺、记忆和“两院制”大脑
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让我们来研究一下长期记忆的形成以及多巴胺和半脑特化之间的关系吧。我们已经知道，哥伦比亚大学的埃里克·坎德尔及其同事发现，在哺乳动物大脑中，形成长期记忆所必需的新突触的生长是由多巴胺促进的。我们也知道，纽约西奈山医学中心的斯坦利·格里克及其同事证明，左半脑中的多巴胺比右半脑中的多。运用简单的三段论推理，我们就能得出如下结论：左半脑为长期记忆的形成提供了更加便利的条件，长期记忆的形成在左半脑中更高效。
接下来要考虑的事情是左半脑中的多巴胺能通路分布的神经解剖学特征。与大多数其他神经递质和神经调质不同，多巴胺能通路受到的限制比较多。它们主要受到三组大脑结构的限制：第一组是基底神经节，从脑干核团黑质投射到多巴胺能通路的黑质纹状体通路；第二组是颞叶的中部结构，尤其是海马体和杏仁核，从脑干腹侧被盖区投射到多巴胺能通路的中脑边缘通路；第三组是前额叶皮质，同样是从腹侧被盖区投射到多巴胺能通路的中脑皮质通路。在上述结构中，海马体与记忆过程的关系最密切，尤其是情境陈述性记忆。虽然长期记忆本身或许是在新皮质中形成的，但海马体在促进这种记忆的形成方面发挥着不可或缺的作用，尤其是起到了将分散在不同新皮质区域的不同成分整合在一起的作用。坎德尔的研究表明，这种促进和整合作用是借助海马体的变化完成的，而海马体的上述变化是在多巴胺的促进下实现的。 鉴于多巴胺对长期记忆形成的作用表现在海马体中，因此，有理由认为该过程在左半脑海马体中更高效，因为多巴胺能通路具有一定的偏侧化。
多巴胺与进化过程中出现的半脑特化之间又有怎样的关系呢？坎德尔认为，多巴胺对长期记忆形成的作用并非在整个进化过程中都如此显著。只有在哺乳动物身上，该作用才是显著的。对巨型海蜗牛来说，促进长期记忆形成的是血清素。不同于多巴胺，血清素的分布模式不具有不对性性；血清素能通路，出于种种意图和目的，基本上是对称的。坎德尔认为，海兔的神经系统没有呈现出任何不对称性。那么，半脑特化的出现是不是进化的基础呢？抑或半脑特化的出现与从血清素能对长期记忆形成的调节到多巴胺能对长期记忆形成的调节的过渡有关？抑或恰恰相反，与从血清素能对长期记忆形成的调节到多巴胺能对长期记忆形成的调节的过渡是原因，而半脑特化的出现才是结果？或者半脑不对称性的进化与长期记忆的生化机制之间还存在更加复杂、不甚明了的关系？
当代神经科学认为，多巴胺在学习过程中发挥着独特的作用。人们通常会谈到多巴胺在“奖励”机制中发挥的作用，说多巴胺为发生在神经网络中的学习过程提供了“教学信号”。杰西米·达伊及其同事有力地证明了刺激-奖励是如何通过将多巴胺释放的时间“向前”转向预测性线索来影响多巴胺的释放的。
此外，可以通过生化刺激或抑制多巴胺能活动来对受奖励驱动的行为的规模进行调节。但是，指令是从何处发出的呢？上述高级功能通常涉及的多巴胺能通路的源头位于腹侧被盖区，它是位于中脑腹侧的一个小小的核团。对腹侧被盖区的多巴胺能神经元的记录表明，它们的放电反映了与奖励价值预测有关的复杂运算，也就是对奖励和一段时间中的上述变量的动态变化起预测作用的线索。
但是，腹侧被盖区是所有复杂的适应性决策所必需的复杂神经计算的主要部位的可能性非常小。此外，连同其他多巴胺能投射源（黑质），腹侧被盖区似乎是从外侧缰核等其他结构接收输入信息的，而外侧缰核同样不大可能是对复杂的适应性决策起关键作用的神经运算发生的主要部位，更不用说是唯一部位了。其背后的回路必须具有同等的复杂程度。腹侧被盖区更像是一个放大器和对在其他部位进行计算的信号起传递作用的传输机，而不是奖励预测这一过程蕴含的复杂神经计算的实际发生地。接下来出场的是前额叶皮质和杏仁核，这是两个富含多巴胺的大脑区域。杏仁核在对与生存有关的输入信息进行自动的、迅速的和粗略的评估方面发挥着关键作用，这种评估作用在很大程度上是事先设置好的，以简单的线索为基础。前额叶皮质则根据信息对有机体的意义在更广泛的语境中提供更具体、更缓慢、更具学习能力的“认知”评估。
前额叶皮质和杏仁核这两种结构很可能就是做出对有机体很重要的神经计算的地点。它们随后把信号传送到腹侧被盖区，“命令”腹侧被盖区刺激包括海马体多巴胺能通路在内的各种神经结构，这些结构反过来会促进有关重要输入信息的长期记忆的形成。这是一种非常精细的机制，能够选取一定的输入信息，使其进入长期记忆的特权通道，并防止其他输入信息进入该通道。让我们将该机制称作“具有执行意义的记忆回路”。具有执行意义的记忆回路中的主要信息流向量是从前额叶皮质和杏仁核发出，经由腹侧被盖区最终到海马体。
虽然认为上述复杂的机制仅与单一神经递质或神经调质有关过于天真，但是，多巴胺似乎确实在整个回路中扮演着至关重要的角色。对其起调节作用的是中脑边缘通路和中脑皮质通路。不论何时提及上述通路，科学文献的重点通常都放在它们的上行部分，但从之前的分析中可以看出，下行部分同样重要，因为下行部分为前额叶皮质和杏仁核对腹侧被盖区的“命令”提供了路径，“命令”的内容是对海马体等结构的多巴胺通路进行刺激。在一个使用了极其复杂的研究方法的fMRI研究中，金伯利·德阿登及其同事得到了腹侧被盖区在奖励预测实验中的图像。他们发现，正向的奖励预测错误与腹侧被盖区的激活之间有直接关系，腹侧被盖区的激活又与腹侧纹状体的激活相关。蒂莫西·贝伦斯及其同事发现了类似的结果。这是不是意味着信号是从腹侧被盖区发出的？或者腹侧被盖区是一个将从前额叶皮质发出的计算结果传递到大脑其他部位的放大器？要想回答这些问题，一个有趣的做法是，通过做与德阿登和贝伦斯等人所做的实验类似的实验来研究腹侧被盖区的信号与前额叶皮质信号之间的联系。
根据这个设想，我们可以认为中脑边缘通路和中脑皮质通路是一个单一整合记忆回路的组成部分。前额叶皮质和杏仁核对信息的价值分别做评估（前额叶皮质的评估是从认知层面做出的，杏仁核则是自动做出的）。经过判断，如果该信息值得进入长期储存库，那么这一信号会通过中脑边缘通路的下行部分（来自杏仁核）和中脑皮质通路的下行部分（来自前额叶皮质）被传送到腹侧被盖区，引发阶段性的多巴胺释放，释放的多巴胺经由上行中脑边缘通路进入海马体。这一过程反过来对有价值的记忆的巩固起到了促进作用。该机制显然对左右半脑都有影响，但它在左半脑中的运作效率可能更高，原因在于，左半脑在多巴胺能的传递方面更具优势。
上述理论通过多巴胺将长期记忆与半脑的不对称性联系在一起，有助于调和对大脑信息处理十分关键，但看似矛盾的两种途径。大脑能够以某种方式在不损失已有信息的前提下获取新的信息。大脑能够在不忘记如何应对之前遇到过的情境的前提下学会如何应对新的挑战。大脑同时呈现出可塑性和稳定性的特质。作为大脑的使用者，我们认为同时具备上述两种能力在日常生活中是理所应当的，但是，作为大脑的研究者，我们对此感到迷惑。许多神经科学家发现大脑的上述双重性质无法用简单的机械论解释进行说明。对神经网络模型的设计者来说，该问题尤其明显。要想设计一个既能学习新信息又不会丢失原有信息的网络是一件非常困难的事情。
为了解决这个难题，若干科学家得出了这样一个结论，即大脑通过两个相互独立的系统协调上述两种能力。但是，这两种系统是什么？它们位于大脑的哪个部位呢？杰伊·麦克莱兰及其同事认为，新皮质和海马体分别代表大脑中对上述两种互补的能力起支撑作用的两种体系。该观点引发了一系列研究，这些研究大都使用计算方法和神经网络模型的方法。相反，基于我自己的研究，我得出了上述两种互补能力分别由两个半脑支撑的结论。
但是，依据前述的讨论，两种理论可能都是正确的，因为它们并不是相互排斥的。左半脑中海马体多巴胺能的传递更高效，这意味着左半脑海马体对神经计算和长期记忆的形成起到的作用比右海马体更明显。