北京冬奥会上,谷爱凌最后一跳突破自我、羽生结弦全神贯注挑战4A时,他们的大脑是如何将这些动作的空间信息与时序信息完美融合的?
最近,科学家对大脑的序列工作记忆有了新的发现:神经元以群体编码的形式表征了序列中的每一个空间位置,而这些表征存在类似的环状几何结构。
该研究推翻了经典序列工作记忆模型的关键假设,为理解神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的见解。今天,国际著名学术期刊《科学》以长文形式,在线发表了这项由中国科学家合作完成的成果。
人类大脑无时无刻不在处理序列信息,不论是语言沟通、动作实施还是情景记忆,本质上都涉及对时序信息的表征。另一方面,序列的执行需要一定的时间,大脑需要在应用时序信息之前记住整个序列。比如,我们需要在在问路时记住指路人给出的一系列方向指引,在学习新的舞蹈动作时记住老师演示的一连串动作模式。但是,对于具有时序信息记忆的大脑神经编码机制,我们仍知之甚少。
这种对信息进行时序编码的能力,目前只确切地在灵长类动物身上发现,而猕猴是与人最为接近的非人灵长类动物模型。
从6年前开始,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)、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室王立平研究组,就联合上海脑科学与类脑研究中心闵斌副研究员和北京大学生命科学学院唐世明课题组合作完成,开始了这个脑科学难题的攻关。
研究团队为猕猴设计了一个训练任务:猕猴面前的屏幕上会依次闪现三个不同的点,猕猴需要在几秒钟之后将这些点按照之前呈现的顺序汇报出来。就在这一过程中,研究人员用双光子钙信号成像技术,实时记录下猕猴大脑进行空间序列存储时的活动状态。
经过对大量大脑神经元信号的处理和计算之后,科学家发现,猕猴大脑内同一群神经元里的序列信息按次序被分解到了不同维度上。
比如,屏幕上三次闪过的点,分别放入了三个不同维度组成的“抽屉”,这些“抽屉”记录下的信息,恰好位于一个环上,而环上不同点对应的空间位置,与真实视觉刺激的环状结构是一致的。而且,这些不同次序的“抽屉”所对应的维度几乎没有重合——就好像写好了信息的纸条,被放到图书馆特定位置的架子上。
进一步实验发现,不同次序的子空间之间,共享了类似的环状结构,只是时序越靠后的环,半径就越小。一个可能的解释是,次序靠后的信息所分配到的注意资源变少。这与人们日常中的经验十分贴近——记忆经常“先入为主”,记忆内容越多,后出现的信息就更容易记不住或记错。
王立平介绍,过去人们总以为神经元在记忆时是单兵作战的,但通过本实验,科学家发现它们是群体工作的。其中有一部分神经元会在不同记忆任务承担相同的角色,而另一部分则会在不同任务中承担不同的工作,“它们好像一支交响乐队中的乐手,相互配合完成一支支大脑中的记忆乐章”。
▲王立平研究员(右)与此论文第一作者谢洋博士后(左)讨论实验数据
中国科学院院士、著名认知科学和实验心理学家陈霖认为这是一项“在认知神经科学领域里程碑式的重要工作”。
中国科学院院士、著名神经科学和生物物理学家郭爱克评价这项工作“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”,这是人类大脑在时间序列表征上的复杂性和简约性的辩证统一。
作者:许琦敏
图片:受访者提供
责任编辑:任荃
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