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2022/03/03 | |||||
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时空信息如何在大脑中高效整合? |
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记忆“抽屉”打上时间戳 大脑这样应对“先来后到”
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▲ 序列记忆在神经高维向量空间的表征 猕猴空间序列记忆实验示意图 
大脑序列工作记忆形成艺术示意图 在大脑的认知活动中,这些与时序有关的工作记忆与日常生活息息相关。唱一首歌、听一段音乐、跳一支舞蹈,都得靠大脑按照时间顺序将一个个信息元素存储下来,在需要的时候再进行读取和加工。我们每天需要处理海量信息,大脑究竟是怎样对这些序列工作记忆进行高效处理的? 时序工作记忆 生活中无处不在,大脑中不甚了了 新近出版的国际顶级学术期刊《科学》以长文形式发表了我国科学家的最新发现:首次揭示了序列工作记忆在非人灵长类动物大脑中表征的几何结构,解释了大脑对于具有时序信息记忆的神经编码机制。该研究推翻了经典序列工作记忆模型的关键假设,为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了全新见解。 时序是认知活动的一个核心维度。时序信息的表征和处理是包括记忆、语言等重要认知活动的基础,在我们的生活中可谓无处不在。 举一个简单的例子,我们需要在问路时记住指路人给出的“向前走”“往左拐”等一系列方向指引,如果记错了顺序,就无法准确到达目的地。又如,学习一段新的舞蹈,我们也必须记住老师演示的一连串动作模式。 不过,这些序列记忆在大脑中是如何存储、处理的,人们却一直不甚明了。这牵涉到一个重要的概念,就是大脑对信息是如何表征的。 此次论文的通讯作者、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研究员王立平解释,人类的思维分两种,一种是直觉、情绪的“快思维”,另一种则是带有逻辑性的“慢思维”。 带有时序信息的工作记忆,就属于“慢思维”范畴。 打一个比方,我们如果用“快思维”的方式去识别一辆卡车,或许我们可以判断“它不是苹果”“它不是自行车”……但如果要理解“卡车”这个概念,就需要“慢思维”对各种信息进行时间与空间的整合,最后形成对事物的特定认知。比如,“卡车有四个轮子”“卡车有一间驾驶室和一个车厢”等。 王立平说,判断一辆卡车看似简单,但其实已经复合了多重信息判断,所以这是一个大脑高维度信息处理的结果。 实现这种高维度的复杂记忆功能,它需要有一群神经元细胞参与。在日本东京大学、法国国家健康中心NeuroSpin研究所先后完成博士后研究后,王立平在六年前来到中科院神经所建立课题组,希望从神经元群体的活动入手,尝试解开大脑高级认知功能之谜。 猕猴模型立功 跟踪五千神经元,关键假设被推翻 自2009年起,中科院神经所在所长蒲慕明院士的带领下,开始建设非人灵长类模式动物平台。 2018年,来自该平台的克隆猴“中中”“华华”姐妹登上国际著名学术期刊《细胞》,向世界表明中国正式开启了批量化、标准化创建克隆猴模型的时代。而此次这篇题为《序列工作记忆在猕猴前额叶表征的几何结构》的论文,是该平台支持的脑科学研究成果首次登上《科学》杂志。 猕猴是演化上最接近人类的模式动物,其认知能力、大脑结构与功能,比其他模式动物更接近人类,是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型。因此,研究人员选用猕猴作为实验对象。 为破解大脑时序记忆编码的奥秘,王立平和博士后谢洋一起,设计了一个“最简单的时序记忆游戏”。研究人员在一只经过训练的猕猴面前放一块屏幕。实验中,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照之前呈现的顺序汇报出来。汇报前的几秒,就是大脑的工作记忆保持期。 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。 这种技术只需在猕猴大脑上安装一个透明的记录窗口,便可在窗口范围内自由选择记录的区域,一次可以同时记录到该区域中几百个神经元的活动。此前,王立平团队的常用手段是电生理记录。他介绍,电生理实验可以在更大尺度上覆盖多脑区,而钙成像技术则能更集中观察一群神经元的活动,并记录下神经元在大脑中的空间位置。 钙信号可以反映神经元的脉冲放电活动,而序列信息表征的关键就在记忆期神经元群体的活动模式中。不过,面对来自一大群神经元的闪烁信号,还需要强大的数学方法加以分析,才能从中透视大脑的工作模式。 数学专业出身的上海脑科学与类脑研究中心副研究员闵斌挑起了重担,指导谢洋和物理专业出身的研究助理胡沛烑进行数据处理和分析。团队发现,此次实验所跟踪的5000多个神经元,其中有相当部分在不同次序的记忆过程中会扮演完全不同的角色。 一直以来,经典序列工作记忆模型假设“单个神经元是计算的基本单元,在不同次序扮演相似的角色”。这项研究推翻了这一假设——研究大脑序列记忆的编码,应更加关注整体神经元水平,而非单个神经元层面。简言之,过去,人们总以为神经元在记忆时是单兵作战,但通过本实验,科学家发现它们是群体工作的。 神经元“抱团”解码 信息降维存入,“屏幕”嵌入高维空间 从研究单个神经元到研究神经元“群像”,是研究思路上的一次飞跃。闵斌觉得,这就像观察单个铁屑,可能并不能看出什么异样,但若观察某个区域的一堆铁屑,却可能从它们的排列趋势看出影响它们的磁场形状。 通过分析钙成像获得的高维数据,研究人员发现,经过猕猴大脑的编码,序列信息被存储在前额叶的神经元群体中,最终整合成了三个独立的二维平面。 闵斌解释,在神经元群体活动的高维状态空间中,可以找到对应不同时间次序的低维子空间。这些子空间就像一个个抽屉,可以存放不同的信息。这个实验中,屏幕上第一、第二和第三个点的空间位置,分别被存放在了三个子空间里的二维平面上(即大脑中的“屏幕”)。在“屏幕”上的点所属的位置,与真实屏幕上的环状结构是相对应的。 有趣的是,这三个“屏幕”上的环尽管相似,却依次变小。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,导致对应的信息区分度降低。另外,第二和第三个“屏幕”之间会有略微重叠,这也对应了猴子有时会把后面两个点的顺序搞反。 王立平认为,这与人们“先入为主”的记忆经验也比较符合,即总是对最先听到、看到的内容印象较为深刻。 这项研究阐释了前额叶群体神经元将序列信息从带有时间轴的视觉空间变换到抽象的神经表征空间的过程。作为一项基础研究,该工作在破译大脑高级认知功能上迈出了第一步。它勾起了人们心中更多的“为什么”。比如,人的记忆空间是固定的,还是可拓展的?大脑中这根“时间轴”是如何产生的?人的创造力是否也来自大脑某种高级“算法”?这些大脑谜团有待更多科学研究去破解。
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