揭开大脑“时空记忆”的奥秘

上图：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。

上左图：猕猴空间序列记忆任务。

上右图：序列记忆在神经高维向量空间的表征。

记者｜陈　冰

大脑如何编码时序信息是极为重要的未解之谜。这项研究成果是认知神经科学领域“里程碑”式的重要工作。

bi、da、ku、pa，bi、da、ku、pa，bi、da、ku、pa。

默念三遍，记起来是不是挺容易的？

如果把这四个音节倒着念出来呢？有点难了吧。

人类到底是如何记住这些信息的？说起来有点遗憾，我们所知甚少。

我们的大脑无时无刻不在处理纷繁复杂的时序信息。比如，问路时，我们需要记住路人给出的一系列方向指引；学习新的舞蹈时，需要记住老师演示的一连串姿势动作；演奏时，演奏者必须记住不同段落的前后顺序；背诵单词、课文时必须防止每一个字母、词组的错漏。

在这种情况下，不仅每个步骤的内容需要被记住，它们之间，时间上的先后顺序也不能混淆。

又比如在本届北京冬奥会上，中国17岁小将苏翊鸣在坡面障碍技术赛场上行云流水般的完美表现、18岁的谷爱凌在自由式滑雪女子大跳台项目中完成偏轴转体两周1620度的突破一跳，都是在比赛前用脑子把一系列的动作过了一遍又一遍，以此达到时序信息和空间信息的完美融合。

如果能够揭秘大脑如何对时序信息进行“编码”的，那是不是意味着人类就能够达到更快、更高、更强的新境界呢？

2月11日，《科学》(Science)期刊以长文形式发表了中科院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）研究员王立平团队、上海脑科学与类脑研究中心副研究员闵斌和北京大学生命科学学院教授唐世明团队的合作研究成果，第一次从神经元群体的角度阐释了序列工作记忆的编码和储存原理，推翻了经典序列工作记忆模型基于单个神经元性质的假设，为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的见解。

这群科学家到底是怎么做到的？

揭开记忆的奥秘

19世纪初，认知心理学家就开始思考序列信息的表征方式，序列编码也被认为是人类语言句法结构的前提。

到了20世纪60年代，心理学家开始提出了工作记忆的概念。它是指个体在执行认知任务中，对信息暂时储存与操控的能力，被认为是人类高级认知活动的核心基础。大批神经科学家投身于对工作记忆的研究，特别是最近二三十年，学术界呈现了爆炸式的工作记忆研究热潮。随着许多关键机制被揭示，试图从整体上解释工作记忆运行规律的理论模型也取得可喜的进展，可以解释很多人类的认知实验结果。

基于单个神经元建立的经典序列工作记忆模型，有一个关键假设，认为单个神经元是编码序列的基本单元，在不同次序扮演相似的角色。通俗一点讲，就是在一场交响乐的演奏会中，不同的神经元各司其职，有的是小提琴手，有的是鼓手，大家在不同的曲子演奏当中工种不变。

但是，如果我们把研究的维度从单个神经元上升到群体神经元，就会发现，神经元的角色扮演并不是一成不变的。可能在这首曲子里扮演鼓手的神经元，到了下一首曲子里又成为小提琴手了，而且之前可能以为不参与演奏的神经元，实际上也起着某种作用。这就是此番科学家们在探究时序记忆的神经机制时，得到的重要的发现。

也就是说，有许多神经元在不同次序扮演完全不同的角色，但整个神经元群体却共同稳定地表征了整个序列。这表明序列记忆的“编码”应更加关注群体神经元水平，而不是单个神经元性质。

那么，科学家是怎么设计实验，来得到这一新发现的呢？

寻找不同的“屏幕”

“猕猴是演化上最接近人类的模式动物，其认知能力、大脑的结构与功能更接近人类，是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型。”王立平介绍道，“因此，我们从猕猴入手，训练它记忆由多个位置点组成的空间序列，从而探究时序记忆编码问题。”

实验中，猕猴面前的屏幕上会依次闪现三个不同的点，猕猴需要在几秒钟后，将这些点按之前呈现的顺序“汇报”出来。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。

为了记录大脑神经元群体在猕猴进行任务时的活动状态，研究人员对工作记忆的大本营——外侧前额叶皮层进行了双光子钙信号成像。“钙信号可反映神经元的脉冲放电活动，序列信息表征的关键就在记忆期神经元群体的活动模式之中。”王立平解释说。

研究人员猜想，猕猴的大脑中也有一块“屏幕”，猕猴可以把出现过的点记在这个屏幕上。但如果三个点同时在记忆保持期内显示在这块“屏幕”上，每个点的次序又该如何体现呢？猕猴的大脑里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，而且不会互相干扰。

带着这些疑问，研究人员分析了钙成像获得的高维数据，发现可以在高维向量空间里面找到每个次序的信息所对应的二维子空间，即找到其对应的 “屏幕”。在每个子空间内，不同的点所对应的空间位置与真实屏幕上视觉刺激的环状结构一致。而且，不同次序的子空间几乎没有重合，说明大脑确实用三块不同的‘屏幕’来表征序列信息。

王立平指出，“序列记忆的行为学有这样几个特点：首先是长度效应，即记忆容量是非常有限的，一般人类能够准确记住四个完全不相干的内容；其次是首因效应，次序在前的信息不容易记错；还有就是错误模式几乎都是相似的，即相邻的信息容易互相干扰，产生错误”。

这些行为学特征也能在神经元的表征中找到对应。不同次序“屏幕”中的表征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。”

为了进一步探究大脑是否总是用相同的几块“屏幕”记忆不同类型的空间序列，研究人员用机器学习方法，训练线性分类器来区分不同次序上的空间信息。结果发现，用于编码次序的“屏幕”在不同序列任务下是稳定通用的。

“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。”王立平强调，“这就不能只关注单个神经元的作用，而是要搞明白有多少比例的演奏者参加，是不是有演奏者参与多首交响曲，如果是，它们是否以相同的方式参与。”

实验结果显示，有大量的演奏者以非常不同的方式参与不同的交响曲。这也就意味着，采用相对局限的单细胞编码性质很难解释大脑是如何记忆序列信息的。透过复杂的、高维度的神经元群体信号找到低维度的、通用的编码模式，才能完整地理解序列工作记忆在大脑中的表征方式。

换句话说，就是把复杂的大脑记忆活动分解为群体编码的一块块“屏幕”，用记忆表征的几何结构来解释序列记忆是如何在大脑中存储的。

当然，真实的情况下，我们的大脑的运行方式会更加复杂，科学家提出这些比喻只是为了尽可能准确地来描述大脑的工作情况。

还有更多未解之谜

神经科学和生物物理学家郭爱克院士指出，这篇论文的创新性在于以猕猴的序列学习为对象，设计了时间和空间信息两个线索共存的实验范式，采用双光子在体钙成像技术，记录了数千个大脑前额叶皮层神经元，发现了高维神经元状态空间可以分解为多个二维子空间之和，从而揭示了序列信息的工作记忆在猕猴前额叶皮层表征的简单几何结构。

“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，将对受脑启发的人工智能研究发生影响。”郭爱克说，70年前，著名神经心理学家卡尔·拉什利提出了一个假设——为了控制序列动作，我们的大脑需要将其工作瞬间转移到持续的神经活动模式上。“证明序列信息中时间和空间的整合发生在整体水平而不是单神经元层面，这个研究结果为这一理论假设提供了实验数据支持。这就是科学魅力之所在！”

猕猴作为结构和功能最接近人类的模式动物，利用猕猴开展高级功能的验证无疑具有重要意义。“认知活动的一个核心维度是时序。时序信息的表征和操作是包括记忆、语言等重要认知活动的基础。大脑如何编码时序信息是极为重要的未解之谜。”认知科学和实验心理学家陈霖院士评价，这项研究成果是认知神经科学领域“里程碑”式的重要工作。

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？

想要解开这些有关工作记忆运行机制的未解之谜，人类还有很长很长的路要走。（文图均由中科院脑科学与智能技术卓越创新中心提供）