北京冬奧會上，谷愛凌在起跳前有一個習慣，擺動身體把比賽動作在腦子裡“過”一遍。在中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心王立平研究員看來，如果把每一個比賽動作視為空間上的一個點，谷愛凌是把這些動作對映到一個序列的不同時序中，並對該序列記憶進行預演，這對接下來的記憶提取將更加順暢。
人類大腦無時無刻不在處理序列資訊，但大腦如何對這些序列資訊進行“編碼”，我們知之甚少。2022年2月11日，國際權威學術期刊《科學》以長文形式發表了王立平研究組、上海腦科學與類腦研究中心閔斌副研究員和北京大學唐世明課題組合作的研究成果。他們發現獼猴大腦神經元以群體編碼的形式表徵了序列中的每一個空間位置，並在這些表徵中發現了類似的環狀幾何結構。該研究推翻了經典序列工作記憶模型的關鍵假設，為理解神經網路如何進行符號表徵這一難題提供了新的見解，將對受大腦啟發的人工智慧產生影響。
【獼猴大腦中同時存在三塊獨立的“螢幕”】
序列資訊無處不在，在更大的時空尺度上，中國農曆的24個節氣也是大自然對序列資訊的記憶。
大腦需要在應用時序資訊之前記住整個序列。比如，問路時，要記住指路人的多個方向指引；跳舞時，要記住老師演示的一連串動作。不僅單個內容需要記牢，它們之間的順序也不能被混淆。
獼猴是演化上最接近人類的模式動物，其認知能力、大腦的結構與功能相比於其他模式動物更接近人類。為探究時序記憶編碼問題，研究人員訓練獼猴記憶由多個位置點組成的空間序列。
任務中，獼猴面前的螢幕上會依次閃現三個不同的點，獼猴需要在幾秒鐘之後將這些點按之前呈現的順序彙報出來。在這幾秒的記憶保持期，空間序列資訊便以工作記憶的形式被暫時儲存在大腦中。為記錄大腦神經元群體在獼猴進行任務時的活動狀態，研究人員對工作記憶的大本營——外側前額葉皮層，進行了雙光子鈣訊號成像。鈣訊號可反映神經元的脈衝放電活動，而序列資訊表徵的關鍵，就在這幾秒鐘神經元群體的活動模式之中。
研究人員猜想，獼猴的大腦中也有一塊“螢幕”，獼猴可以把出現過的點記在這個螢幕上。如何同時表徵序列中多個資訊呢？他們進而猜想，獼猴的大腦中同時存在三塊不同的“螢幕”，這樣每個“螢幕”只需記下一個點的資訊，而且螢幕之間不會互相干擾。
透過鈣訊號成像獲得的高維資料，證實了他們的猜想——獼猴大腦確實用了三塊獨立的“螢幕”來表徵序列資訊。
大腦用了三塊獨立的“螢幕”來表徵序列資訊
一直以來，經典序列記憶模型假設單個神經元是計算的基本單元，在不同次序扮演相似的角色。本項研究發現大量神經元在不同次序扮演完全不同的角色，從而推翻了該假設，提示序列記憶的“編碼”應更加關注群體神經元水平，而不是單個神經元性質。
【將對受大腦啟發的人工智慧產生影響】
這一原創科學發現究竟有何意義？
神經科學和生物物理學家郭愛克院士評價，這一工作的創新性在於以獼猴的序列學習為物件，設計了時間和空間資訊兩個線索共存的實驗正規化，揭示了在工作記憶的時間尺度上，序列資訊的神經編碼和表徵機制。
70年前，神經心理學家卡爾·拉施裡提出了一個假設——為了控制序列動作，我們的大腦需要將其工作瞬間轉移到持續的神經活動模式上。“令人高興的是，這個研究結果為這一理論假設提供了實驗資料支援。這就是科學魅力之所在！”郭愛克說。
(從左至右）王立平、閔斌和兩位論文共同第一作者胡沛烑、謝洋在討論
“認知活動的一個核心維度是時序。時序資訊的表徵和操作是包括記憶、語言等重要認知活動的基礎。大腦如何編碼時序資訊是極為重要的未解之謎。”認知科學和實驗心理學家陳霖院士評價，這是認知神經科學領域“里程碑”式的重要工作。
這一研究還將對受大腦啟發的人工智慧產生影響。上世紀人工智慧領域就有研究者提出，如果能夠模仿大腦神經網路對符號的表徵，人工智慧會有比較大的飛躍。“這一發現清楚地闡釋了序列工作記憶的神經機制，也為理解神經網路如何進行符號表徵這一難題提供了新的思路。”神經生物學家王以政院士認為。
欄目主編：黃海華 文字編輯：黃海華 題圖來源：IC photo 圖片編輯：邵競
內圖由中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心提供
來源：作者：黃海華
