問(wèn)路時(shí)，我們要記住指路人給出的一系列方向指引;在學(xué)習(xí)新的舞蹈動(dòng)作時(shí)，我們要記住老師演示的一連串動(dòng)作模式。人腦在記憶時(shí)往往不僅要記住單個(gè)內(nèi)容，還要記住內(nèi)容之間的次序。那么這種記憶次序，也就是時(shí)序信息，在頭腦中的呈現(xiàn)方式是什么樣的?

2月11日，《科學(xué)》期刊發(fā)表了一項(xiàng)研究的研究論文，在該研究中，科學(xué)家訓(xùn)練獼猴記憶不同位置的點(diǎn)陣，并利用在體雙光子鈣成像技術(shù)記錄獼猴大腦前額葉皮層的神經(jīng)元活動(dòng)。研究人員發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元以群體編碼的形式表征了序列中的每一個(gè)空間位置，并在這些表征中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的環(huán)狀幾何結(jié)構(gòu)。該研究為理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行符號(hào)表征這一難題提供了新見(jiàn)解。

該研究由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心(神經(jīng)科學(xué)研究所)、中國(guó)科學(xué)院靈長(zhǎng)類(lèi)神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王立平研究組，上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心副研究員閔斌和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院唐世明課題組合作完成。

從最像人的動(dòng)物出發(fā)，研究腦海中的“屏幕”

人類(lèi)大腦無(wú)時(shí)無(wú)刻不在處理序列信息，不論是語(yǔ)言溝通、動(dòng)作實(shí)施還是情景記憶，都涉及時(shí)序信息在腦中的呈現(xiàn)方式，也就是序列的表征。認(rèn)知心理學(xué)家們?cè)缭?9世紀(jì)初就開(kāi)始思考序列信息的表征方式，但對(duì)于時(shí)序信息大腦神經(jīng)是如何進(jìn)行記憶的，我們?nèi)灾跎佟?/p>

獼猴是演化上最接近人類(lèi)的模式動(dòng)物，其認(rèn)知能力、大腦的結(jié)構(gòu)與功能相比于其他模式動(dòng)物更接近人類(lèi)，是研究時(shí)間序列等復(fù)雜高級(jí)認(rèn)知功能的最佳實(shí)驗(yàn)對(duì)象。因此，研究人員訓(xùn)練獼猴記憶由多個(gè)位置點(diǎn)組成的空間序列。

在任務(wù)中，獼猴面前的屏幕上會(huì)依次閃現(xiàn)3個(gè)不同的點(diǎn)，獼猴需要在幾秒鐘之后將這些點(diǎn)按之前呈現(xiàn)的順序匯報(bào)出來(lái)。在匯報(bào)前的幾秒內(nèi)，這些點(diǎn)的位置組成的空間序列信息，就暫時(shí)儲(chǔ)存在大腦中。

研究人員對(duì)工作記憶的大本營(yíng)——外側(cè)前額葉皮層進(jìn)行了雙光子鈣信號(hào)成像。這樣就可以記錄由點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)的空間信息和不同次序?qū)?yīng)的時(shí)間信息所帶來(lái)的大腦神經(jīng)元群體活動(dòng)狀態(tài)。鈣信號(hào)可反映神經(jīng)元的脈沖放電活動(dòng)，而序列信息表征的關(guān)鍵就在記憶期神經(jīng)元群體的活動(dòng)模式之中。

大腦如何在這一期間，同時(shí)對(duì)3次點(diǎn)的位置情況進(jìn)行呈現(xiàn)呢?研究人員猜想獼猴的大腦中有一塊“屏幕”，獼猴可以把出現(xiàn)過(guò)的點(diǎn)記在這個(gè)“屏幕”上?？扇绻?個(gè)點(diǎn)同時(shí)在記憶保持期內(nèi)顯示在了這個(gè)屏幕上，每個(gè)點(diǎn)的先后順序又該如何體現(xiàn)呢?獼猴的大腦里面是否會(huì)同時(shí)存在3塊不同的“屏幕”?這樣每個(gè)屏幕只需要記下一個(gè)點(diǎn)的信息，而且屏幕之間不會(huì)互相干擾。

研究人員分析了鈣成像獲得的高維數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)可以在高維向量空間里面找到每個(gè)次序的信息所對(duì)應(yīng)的二維子空間，即找到了3張獼猴腦海中的“屏幕”。并且這些“屏幕”上點(diǎn)的位置所構(gòu)成的幾何結(jié)構(gòu)，與獼猴觀看的真實(shí)屏幕中的點(diǎn)所屬的環(huán)狀結(jié)構(gòu)保持了一致。種種分析顯示，這些“屏幕”沒(méi)有相交，說(shuō)明大腦確實(shí)用到了3塊獨(dú)立的“屏幕”來(lái)表征序列信息。

為了進(jìn)一步探究大腦是否總是用相同的這幾塊“屏幕”記憶不同類(lèi)型的空間序列，研究人員對(duì)數(shù)據(jù)做了解碼分析，即運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練線性分類(lèi)器來(lái)區(qū)分不同次序上的空間信息。比如，用獼猴正確應(yīng)答時(shí)的神經(jīng)元群體活動(dòng)訓(xùn)練解碼器，可以在部分做對(duì)的序列里面取得較好的解碼效果。這些結(jié)果提示了用于編碼次序的“屏幕”是穩(wěn)定通用的。

為何記憶越多越容易出錯(cuò)?答案在環(huán)狀結(jié)構(gòu)里

在神經(jīng)系統(tǒng)里，存在著維度和神經(jīng)元數(shù)量相等的高維向量空間，有成百上千的維度進(jìn)行著記憶的存儲(chǔ)和分析。在記錄時(shí)序信息時(shí)，子空間產(chǎn)生環(huán)狀結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)信息。

不同子空間的表征共享類(lèi)似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，隨著次序的增加，環(huán)的半徑會(huì)減小。一個(gè)可能的解釋是，次序靠后的信息所分配到的注意資源更少，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的環(huán)變小、區(qū)分度降低。這一結(jié)構(gòu)也對(duì)應(yīng)了序列記憶的行為表現(xiàn)，例如我們?nèi)粘Ｉ钪杏洃浀膬?nèi)容越多，越往后的信息就更容易出錯(cuò)。

該研究第一次在群體神經(jīng)元水平闡釋了序列工作記憶的計(jì)算和編碼原理，也為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行符號(hào)表征這一難題提供了新的思路。20世紀(jì)80年代，人工智能領(lǐng)域就有研究者提出張量乘積這一概念來(lái)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)符號(hào)結(jié)構(gòu)的表征，但其如何在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層面自然涌現(xiàn)這一問(wèn)題一直沒(méi)有被很好地解決。序列工作記憶的神經(jīng)表征正好對(duì)應(yīng)了將該符號(hào)表征由對(duì)應(yīng)次序的子空間嵌入到高維向量空間中，同時(shí)支持下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)符號(hào)結(jié)構(gòu)信息的線性讀取。

腦科學(xué)能夠?qū)⑿袨楹蜕窠?jīng)元活動(dòng)串聯(lián)起來(lái)建模、解釋和預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)時(shí)序信息的研究，我們也能夠展望神經(jīng)科學(xué)對(duì)人工智能技術(shù)的啟發(fā)。機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)科學(xué)的交互前行，讓人看到了工業(yè)革命中機(jī)器代替手工的可能，也預(yù)示著下一場(chǎng)革命。