脑科学家眼里的“翊鸣”惊人是怎样回事？“大圣”帮上海科学家破解大脑序列记忆秘密
新民晚报2022-02-11 18:14
来源/中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（除署名外下同）
想更好理解上海科学家的最新成果，先来按序记四个无关联音符：bi、da、ku、pa。
在我们大脑的认知活动中，语言通讯、情景记忆等都与序列信息有关。正是凭借着大脑中对时序信息和空间信息的完美融和，中国小将才在北京冬奥会上有了“翊鸣”惊人的表现。可你想过没有，序列记忆又是如何在大脑中存储的？
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王立平研究组、上海脑科学与类脑研究中心闵斌副研究员与北京大学唐世明课题组合作，通过训练猕猴解答了这一科学问题。科学家们首次在群体神经元水平阐释了序列工作记忆的计算和编码原理，为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的见解。相关成果在北京时间今天凌晨以长文形式在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上发表。
图说：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员王立平 新民晚报记者 郜阳 摄
猴子怎么记顺序
研究团队训练猕猴记忆由多个位置点组成的序列。猴子面前的屏幕上会依次闪现三个不同位置的点，猴子需要在几秒钟之后，通过眼神将这些点按之前呈现的顺序汇报出来，汇报正确能得到奖励。在汇报前的几秒记忆保持期内，空间序列的信息便以工作记忆的形式被暂时储存在大脑中。
图说：猕猴空间序列记忆任务
研究人员猜想：猕猴的大脑中也有一块“屏幕”，可以把出现过的点记在这个屏幕上。可如果三个点同时在记忆保持期内显示在了这个屏幕上，每个点的次序又该如何体现呢？猕猴的大脑里面是否会同时存在三块不同的屏幕？这样每个屏幕只需要记下一个点的信息，而且屏幕之间不会互相干扰。
钙信号可反映神经元的脉冲放电活动。通过分析双光子钙信号成像数据，研究人员发现每个次序的信息都有其对应的二维子空间，即一块“屏幕”。由于展现给猕猴的是六边形结构，神经元数据也反映了现实，即每块“屏幕”上不同点的空间位置与真实视觉刺激的环状结构保持了一致。而且，不同次序所对应的子空间几乎没有重合，表明大脑确实用到了三块不同的“屏幕”来表征序列信息。
图说：王立平研究员（右）与谢洋博士后（左）讨论实验数据
序列记忆有何奥秘
“序列记忆的行为学有这样几个特点：一是长度效应，即记忆容量是非常有限的；其次是首、尾效应，离得较远的内容不会记混；还有就是错误模式。”王立平解释。这些行为学特征也在实验中显现——
图说：序列记忆在神经高维向量空间的表征
研究人员发现了个有意思的现象：不同次序的“屏幕”之间共享了类似的环状结构，只是环的半径大小会随次序的增加而减小。“一个可能的解释是，次序靠后的信息所分配到的注意资源更少，导致对应的环变小、区分度降低。”王立平补充说，“就像我们日常生活中如果记忆的内容越多，越往后的信息便更容易出错。”
总结来说，序列中不同次序上的信息被储存在低维、互不扰的空间（“屏幕”）中，并且在记忆不同的序列时子空间也是通用的。此外，不同的时序子空间在时间（不同天）内都是稳定的。
“想象你在听一场交响乐。每一个演奏者就是一个神经元。要想听明白整场交响乐怎么被编码，就要去看群体演奏者共同奏出的是什么，这即为群体编码。”王立平打比方说，“而要理解在单个神经元上是如何实现的，就要搞明白有多少例的演奏者参加，是不是有演奏者参与多交响曲，以及演奏者是否以相同的式参与。”
图说：王立平研究员介绍此次成果 新民晚报记者 郜阳 摄
但他强调，该研究的结果无法仅在单个神经元水平解释，序列记忆的编码应更加关注群体神经元性质。
破解更多脑科学奥秘
“它的科学意义在于揭示了在工作记忆的时间尺度上，序列信息在大脑前额叶皮层的神经编码和表征机制。”著名神经科学和生物物理学家、中国科学院院士郭爱克点评说，“这个发现揭示了序列信息编码利用了降维原则，从而降低了神经计算复杂性。”他还指出，这项研究也将对人工智能产生影响。
“序列记忆中的环是如何构建、如何被提取的？是谁在控制不同环的大小，注意资源分配的原理是什么，记忆的容量为何有限？当序列中每个时间存在抽象关系时，记忆是如何被压缩的？”王立平一口气说了好几个之后的目标。
图说：王立平研究员、闵斌副研究员、研究助理胡沛烑、博士后谢洋讨论课题
“截至目前，还没有任何研究能证明低于灵长类的动物能够自如的操作序列记忆。利用猕猴开展高级功能的验证也是我们目前的最好选择。”中科院脑智卓越中心副主任杜久林研究员表示，脑科学被誉为自然科学领域皇冠上的明珠，中心50余个实验室，半壁江山都是用猕猴搭起的平台。作为模式动物中结构和功能最接近人类的，这些研究组将以此找到破解脑认知科学相关问题的“钥匙”。
最后，将文章开头提到的四个音符第一位和第三位交换顺序，然后说出来，你还记得吗？
新民晚报记者 郜阳
【延伸阅读】解析“时空”记忆的奥秘
举报/反馈
0
0
收藏
分享
