人類大腦的認(rèn)知活動，如語言通訊、情景記憶等，都與時(shí)序信息相關(guān)。大腦如何對時(shí)序信息進(jìn)行記憶？我國科學(xué)家的一項(xiàng)最新研究，推翻了經(jīng)典時(shí)序記憶模型的關(guān)鍵假設(shè)，首次揭示了大腦時(shí)序記憶的神經(jīng)機(jī)制。
這項(xiàng)研究由中國科學(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）、中國科學(xué)院靈長類神經(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)與類腦研究中心閔斌副研究員和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院唐世明課題組合作完成。2月11日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了相關(guān)研究論文。
2月11日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王立平研究員介紹科研成果。 新華社記者 張建松攝
據(jù)中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王立平研究員介紹，經(jīng)典時(shí)序記憶模型的關(guān)鍵假設(shè)，主要是大腦單神經(jīng)元的編碼性質(zhì)。而最新的研究則表明，大腦對序 列信息進(jìn)行的時(shí)空整合，發(fā)生在群體水平而不是單個(gè)神經(jīng)元層面。高維神經(jīng)元狀態(tài)空間可以分解為多個(gè)二維子空間，利用“降維原則”，序列信息編碼降低了神經(jīng)計(jì) 算的復(fù)雜性，便于區(qū)分信息的時(shí)序。
這一科學(xué)結(jié)論，來源于科學(xué)團(tuán)隊(duì)以獼猴為研究對象的巧妙實(shí)驗(yàn)。獼猴是演化上接近人類的靈長類動物，其認(rèn)知能力、大腦的結(jié)構(gòu)與功能和人類十分接近，是科學(xué)家研究人類大腦復(fù)雜高級認(rèn)知功能的最佳模型。
為了探究時(shí)序記憶編碼問題，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。在實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，獼猴面前的屏幕上依次閃現(xiàn)三個(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。在匯報(bào)前的幾秒記憶保持期內(nèi)，空間序列的信息以工作記憶的形式，被暫時(shí)儲存在大腦中。
在此過程中，科研人員對獼猴儲存工作記憶的腦區(qū)--外側(cè)前額葉皮層，進(jìn)行了雙光子鈣信號成像。鈣信號可以反映神經(jīng)元的脈沖放電活動，即獼猴大腦神經(jīng)元群體在執(zhí)行任務(wù)時(shí)活動狀態(tài)。
研究人員通過分析鈣成像獲得的高維數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在高維向量空間里面，可以通過“降維”找到每個(gè)次序的信息所對應(yīng)的二維子空間。在每個(gè)子空間內(nèi)，不同的點(diǎn)所對 應(yīng)的空間位置，與真實(shí)視覺刺激的環(huán)狀幾何結(jié)構(gòu)保持了一致。而且，不同次序所對應(yīng)的子空間幾乎沒有重疊，即序列中的每個(gè)信息都有獨(dú)立的儲存空間。
獼猴空間序列記憶任務(wù)。（受訪者供圖）
進(jìn)一步研究還顯示，次序越靠后的子空間里，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的半徑越小，對應(yīng)所分配到的注意資源越少。這一發(fā)現(xiàn)也對應(yīng)了序列記憶的行為表現(xiàn)，例如我們?nèi)粘Ｉ钪腥绻洃浀膬?nèi)容越多，越往后的信息便更容易出錯。
“這項(xiàng)研究是第一次在群體神經(jīng)元水平，闡釋了序列工作記憶的計(jì)算和編碼原理，提示我們對大腦序列記憶編碼研究，今后應(yīng)更加關(guān)注群體神經(jīng)元性質(zhì)?！蓖趿⑵秸f。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，中國科學(xué)家的這項(xiàng)最新研究，發(fā)現(xiàn)了大腦在時(shí)序記憶中的“降維原則”，為理解“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行符號表征”這一難題提供了新的思路。正如哲學(xué) 家叔本華所說：“簡約性永遠(yuǎn)是真理和天才的共同特征?！边@一原創(chuàng)性研究，揭示了人類大腦在時(shí)序表征上的復(fù)雜性和簡約性的辯證統(tǒng)一，將對受腦啟發(fā)的人工智能 研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。（新華社記者 張建松）
2月11日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王立平研究員介紹科研成果。新華社記者 張建松 攝
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