吳天一  科技日報記者 王春

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

2月11日，《科學(xué)》期刊以長文形式發(fā)表了題為《序列工作記憶在獼猴前額葉表征的幾何結(jié)構(gòu)》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。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空間位置，并在這些表征中發(fā)現(xiàn)了類似的環(huán)狀幾何結(jié)構(gòu)。該研究推翻了經(jīng)典序列工作記憶模型的關(guān)鍵假設(shè)，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見解。

該研究由中國科學(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。

從最像人的動物出發(fā) 研究腦海中的屏幕

人類大腦無時無刻不在處理序列信息，不論是語言溝通、動作實(shí)施還是情景記憶，這些都涉及時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)家們早在19世紀(jì)初就開始思考序列信息的表征方式，但對于時序信息大腦神經(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的模式動物，其認(rèn)知能力、大腦的結(jié)構(gòu)與功能相比于其他模式動物更接近人類，是研究時間序列等復(fù)雜高級認(rèn)知功能的最佳實(shí)驗(yàn)對象。因此，研究人員訓(xùn)練獼猴記憶由多個位置點(diǎn)組成的空間序列。

在任務(wù)中，獼猴面前的屏幕上會依次閃現(xiàn)三個不同的點(diǎn)，獼猴需要在幾秒鐘之后將這些點(diǎn)按之前呈現(xiàn)的順序匯報出來。在匯報前的幾秒內(nèi)，這些點(diǎn)的位置組成的空間序列信息，就暫時儲存在大腦中。

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

大腦如何在這一期間，同時對三次點(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也有一塊“屏幕”，獼猴可以把出現(xiàn)過的點(diǎn)記在這個屏幕上。可如果三個點(diǎn)同時在記憶保持期內(nèi)顯示在了這個屏幕上，每個點(diǎn)的先后順序又該如何體現(xiàn)呢？獼猴的大腦里面是否會同時存在三塊不同的屏幕？這樣每個屏幕只需要記下一個點(diǎn)的信息，而且屏幕之間不會互相干擾。

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次序的信息所對應(yīng)的二維子空間，即找到了三張獼猴腦海中的“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，這些屏幕沒有相交，說明大腦確實(shí)用到了三塊獨(dú)立的屏幕來表征序列信息。

為了進(jìn)一步探究大腦是否總是用相同的這幾塊“屏幕”記憶不同類型的空間序列，研究人員對數(shù)據(jù)做了解碼分析，即運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練線性分類器來區(qū)分不同次序上的空間信息。比如，用獼猴正確應(yīng)答時的神經(jīng)元群體活動訓(xùn)練解碼器，可以在部分做對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。

獼猴空間序列記憶任務(wù)。采訪對象供圖

為何記憶越多越容易出錯？答案在環(huán)狀結(jié)構(gòu)里

在地理空間中，上下前后左右方向，代表著三維空間。而在神經(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)行著記憶的存儲和分析。在時序信息的記憶中，子空間產(chǎn)生環(huán)狀結(jié)構(gòu)來存儲信息。

不同子空間的表征共享著類似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而隨次序的增加，環(huán)的半徑會減小。一個可能的解釋是，次序靠后的信息所分配到的注意資源更少，導(dǎo)致對應(yīng)的環(huán)變小、區(qū)分度降低。這一結(jié)構(gòu)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。

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算和編碼原理，也為神經(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。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實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對符號結(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)一直沒有被很好地解決。序列工作記憶的神經(jīng)表征正好對應(yīng)了將該符號表征由對應(yīng)次序的子空間嵌入到高維向量空間中，同時支持了下游神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對符號結(jié)構(gòu)信息的線性讀取。

腦科學(xué)能夠?qū)⑿袨楹蜕窠?jīng)元活動串聯(lián)起來去建模，解釋和預(yù)測。通過對時序信息的研究，我們也能夠展望神經(jīng)科學(xué)對ai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“生產(chǎn)力提升的曙光”，也預(yù)示著下一場革新。

 研究團(tuán)隊在討論研究。采訪對象供圖

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