揭開大腦“時空記憶”的奧秘

陳冰

bi、da、ku、pa，? bi、da、ku、pa，? bi、da、ku、pa。

默念三遍，記起來是不是挺容易的？

如果把這四個音節(jié)倒著念出來呢？有點難了吧。

人類到底是如何記住這些信息的？說起來有點遺憾，我們所知甚少。

我們的大腦無時無刻不在處理紛繁復雜的時序信息。比如，問路時，我們需要記住路人給出的一系列方向指引;學習新的舞蹈時，需要記住老師演示的一連串姿勢動作;演奏時，演奏者必須記住不同段落的前后順序;背誦單詞、課文時必須防止每一個字母、詞組的錯漏。

在這種情況下，不僅每個步驟的內(nèi)容需要被記住，它們之間，時間上的先后順序也不能混淆。

又比如在本屆北京冬奧會上，中國17歲小將蘇翊鳴在坡面障礙技術(shù)賽場上行云流水般的完美表現(xiàn)、18歲的谷愛凌在自由式滑雪女子大跳臺項目中完成偏軸轉(zhuǎn)體兩周1620度的突破一跳，都是在比賽前用腦子把一系列的動作過了一遍又一遍，以此達到時序信息和空間信息的完美融合。

如果能夠揭秘大腦如何對時序信息進行“編碼”的，那是不是意味著人類就能夠達到更快、更高、更強的新境界呢？

2月11日，《科學》（Science） 期刊以長文形式發(fā)表了中科院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）研究員王立平團隊、上海腦科學與類腦研究中心副研究員閔斌和北京大學生命科學學院教授唐世明團隊的合作研究成果，第一次從神經(jīng)元群體的角度闡釋了序列工作記憶的編碼和儲存原理，推翻了經(jīng)典序列工作記憶模型基于單個神經(jīng)元性質(zhì)的假設(shè)，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何進行符號表征這一難題提供了新的見解。

這群科學家到底是怎么做到的？

19世紀初，認知心理學家就開始思考序列信息的表征方式，序列編碼也被認為是人類語言句法結(jié)構(gòu)的前提。

到了20世紀60年代，心理學家開始提出了工作記憶的概念。它是指個體在執(zhí)行認知任務中，對信息暫時儲存與操控的能力，被認為是人類高級認知活動的核心基礎(chǔ)。大批神經(jīng)科學家投身于對工作記憶的研究，特別是最近二三十年，學術(shù)界呈現(xiàn)了爆炸式的工作記憶研究熱潮。隨著許多關(guān)鍵機制被揭示，試圖從整體上解釋工作記憶運行規(guī)律的理論模型也取得可喜的進展，可以解釋很多人類的認知實驗結(jié)果。

基于單個神經(jīng)元建立的經(jīng)典序列工作記憶模型，有一個關(guān)鍵假設(shè)，認為單個神經(jīng)元是編碼序列的基本單元，在不同次序扮演相似的角色。通俗一點講，就是在一場交響樂的演奏會中，不同的神經(jīng)元各司其職，有的是小提琴手，有的是鼓手，大家在不同的曲子演奏當中工種不變。

但是，如果我們把研究的維度從單個神經(jīng)元上升到群體神經(jīng)元，就會發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元的角色扮演并不是一成不變的?？赡茉谶@首曲子里扮演鼓手的神經(jīng)元，到了下一首曲子里又成為小提琴手了，而且之前可能以為不參與演奏的神經(jīng)元，實際上也起著某種作用。這就是此番科學家們在探究時序記憶的神經(jīng)機制時，得到的重要的發(fā)現(xiàn)。

也就是說，有許多神經(jīng)元在不同次序扮演完全不同的角色，但整個神經(jīng)元群體卻共同穩(wěn)定地表征了整個序列。這表明序列記憶的“編碼”應更加關(guān)注群體神經(jīng)元水平，而不是單個神經(jīng)元性質(zhì)。

王立平研究員（右）與此論文第一作者謝洋博士后（左）討論實驗數(shù)據(jù)。

那么，科學家是怎么設(shè)計實驗，來得到這一新發(fā)現(xiàn)的呢？

“獼猴是演化上最接近人類的模式動物，其認知能力、大腦的結(jié)構(gòu)與功能更接近人類，是研究時間序列等復雜高級認知功能的最佳模型。”王立平介紹道，“因此，我們從獼猴入手，訓練它記憶由多個位置點組成的空間序列，從而探究時序記憶編碼問題?！?/p>

實驗中，獼猴面前的屏幕上會依次閃現(xiàn)三個不同的點，獼猴需要在幾秒鐘后，將這些點按之前呈現(xiàn)的順序“匯報”出來。在匯報前的幾秒記憶保持期內(nèi)，空間序列的信息便以工作記憶的形式被暫時儲存在大腦中。

為了記錄大腦神經(jīng)元群體在獼猴進行任務時的活動狀態(tài)，研究人員對工作記憶的大本營——外側(cè)前額葉皮層進行了雙光子鈣信號成像?！扳}信號可反映神經(jīng)元的脈沖放電活動，序列信息表征的關(guān)鍵就在記憶期神經(jīng)元群體的活動模式之中?！蓖趿⑵浇忉屨f。

研究人員猜想，獼猴的大腦中也有一塊“屏幕”，獼猴可以把出現(xiàn)過的點記在這個屏幕上。但如果三個點同時在記憶保持期內(nèi)顯示在這塊“屏幕”上，每個點的次序又該如何體現(xiàn)呢？獼猴的大腦里是否會同時存在三塊不同的“屏幕”？這樣每個“屏幕”只需要記下一個點的信息，而且不會互相干擾。

帶著這些疑問，研究人員分析了鈣成像獲得的高維數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)可以在高維向量空間里面找到每個次序的信息所對應的二維子空間，即找到其對應的“屏幕”。在每個子空間內(nèi)，不同的點所對應的空間位置與真實屏幕上視覺刺激的環(huán)狀結(jié)構(gòu)一致。而且，不同次序的子空間幾乎沒有重合，說明大腦確實用三塊不同的‘屏幕’來表征序列信息。

這個發(fā)現(xiàn)揭示了序列信息編碼利用了降維原則，從而降低了神經(jīng)計算復雜性，將對受腦啟發(fā)的人工智能研究發(fā)生影響。

王立平指出，“序列記憶的行為學有這樣幾個特點：首先是長度效應，即記憶容量是非常有限的，一般人類能夠準確記住四個完全不相干的內(nèi)容;其次是首因效應，次序在前的信息不容易記錯;還有就是錯誤模式幾乎都是相似的，即相鄰的信息容易互相干擾，產(chǎn)生錯誤”。

這些行為學特征也能在神經(jīng)元的表征中找到對應。不同次序“屏幕”中的表征共享了類似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，只是環(huán)的半徑大小會隨次序的增加而減小。“一個可能的解釋是，次序靠后的信息所分配到的注意資源更少，導致對應的環(huán)變小、區(qū)分度降低?！蓖趿⑵窖a充說，“就像我們?nèi)粘Ｉ钪腥绻洃浀膬?nèi)容越多，越往后的信息便更容易出錯?！?/p>

為了進一步探究大腦是否總是用相同的幾塊“屏幕”記憶不同類型的空間序列，研究人員用機器學習方法，訓練線性分類器來區(qū)分不同次序上的空間信息。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用于編碼次序的“屏幕”在不同序列任務下是穩(wěn)定通用的。

“想象你在聽一場交響樂。每一個演奏者就是一個神經(jīng)元。要想聽明白整場交響樂怎么被編碼，就要去看群體演奏者共同奏出的是什么，這即為群體編碼?！蓖趿⑵綇娬{(diào)，“這就不能只關(guān)注單個神經(jīng)元的作用，而是要搞明白有多少比例的演奏者參加，是不是有演奏者參與多首交響曲，如果是，它們是否以相同的方式參與?！?/p>

實驗結(jié)果顯示，有大量的演奏者以非常不同的方式參與不同的交響曲。這也就意味著，采用相對局限的單細胞編碼性質(zhì)很難解釋大腦是如何記憶序列信息的。透過復雜的、高維度的神經(jīng)元群體信號找到低維度的、通用的編碼模式，才能完整地理解序列工作記憶在大腦中的表征方式。

換句話說，就是把復雜的大腦記憶活動分解為群體編碼的一塊塊“屏幕”，用記憶表征的幾何結(jié)構(gòu)來解釋序列記憶是如何在大腦中存儲的。

當然，真實的情況下，我們的大腦的運行方式會更加復雜，科學家提出這些比喻只是為了盡可能準確地來描述大腦的工作情況。

神經(jīng)科學和生物物理學家郭愛克院士指出，這篇論文的創(chuàng)新性在于以獼猴的序列學習為對象，設(shè)計了時間和空間信息兩個線索共存的實驗范式，采用雙光子在體鈣成像技術(shù)，記錄了數(shù)千個大腦前額葉皮層神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)了高維神經(jīng)元狀態(tài)空間可以分解為多個二維子空間之和，從而揭示了序列信息的工作記憶在獼猴前額葉皮層表征的簡單幾何結(jié)構(gòu)。

獼猴空間序列記憶任務。

“這個發(fā)現(xiàn)揭示了序列信息編碼利用了降維原則，從而降低了神經(jīng)計算復雜性，將對受腦啟發(fā)的人工智能研究發(fā)生影響?！惫鶒劭苏f，70年前，著名神經(jīng)心理學家卡爾·拉什利提出了一個假設(shè)——為了控制序列動作，我們的大腦需要將其工作瞬間轉(zhuǎn)移到持續(xù)的神經(jīng)活動模式上?！白C明序列信息中時間和空間的整合發(fā)生在整體水平而不是單神經(jīng)元層面，這個研究結(jié)果為這一理論假設(shè)提供了實驗數(shù)據(jù)支持。這就是科學魅力之所在！”

獼猴作為結(jié)構(gòu)和功能最接近人類的模式動物，利用獼猴開展高級功能的驗證無疑具有重要意義?！罢J知活動的一個核心維度是時序。時序信息的表征和操作是包括記憶、語言等重要認知活動的基礎(chǔ)。大腦如何編碼時序信息是極為重要的未解之謎?！闭J知科學和實驗心理學家陳霖院士評價，這項研究成果是認知神經(jīng)科學領(lǐng)域“里程碑”式的重要工作。

序列記憶中的環(huán)是如何構(gòu)建、如何被提取的？是誰在控制不同環(huán)的大小，注意資源分配的原理是什么，記憶的容量為何有限？當序列中每個時間存在抽象關(guān)系時，記憶是如何被壓縮的？

想要解開這些有關(guān)工作記憶運行機制的未解之謎，人類還有很長很長的路要走。（文圖均由中科院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心提供）