2月11日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》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。

　　近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心與國內(nèi)多家單位合作，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見解。

　　人類大腦無時(shí)無刻不在處理序列信息，不論是語言溝通、動(dòng)作實(shí)施還是情景記憶，本質(zhì)上都涉及對(duì)時(shí)序信息的表征。另一方面，序列的執(zhí)行需要一定的時(shí)間，大腦需要在應(yīng)用時(shí)序信息之前記住整個(gè)序列。比如，我們需要在問路時(shí)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)記住老師演示的一連串動(dòng)作模式。在這些情況下，不僅單個(gè)內(nèi)容需要被記住，它們之間的順序也不能混淆。

　　獼猴是演化上最接近人類的模式動(dòng)物，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。在任務(wù)中，獼猴面前的屏幕上會(huì)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)，空間序列的信息便以工作記憶的形式被暫時(shí)儲(chǔ)存在大腦中。為了記錄大腦神經(jīng)元群體在獼猴進(jìn)行任務(wù)時(shí)的活動(dòng)狀態(tài)，研究人員對(duì)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(hào)成像。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。

　　大腦如何在記憶期內(nèi)同時(shí)表征序列中多個(gè)信息呢?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(gè)屏幕上?？扇绻齻€(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)的次序又該如何體現(xiàn)呢?獼猴的大腦里面是否會(huì)同時(shí)存在三塊不同的屏幕?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，即找到其對(duì)應(yīng)的“屏幕”。在每個(gè)子空間內(nèi)，不同的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的空間位置與真實(shí)視覺刺激的環(huán)狀結(jié)構(gòu)保持了一致。進(jìn)一步分析表明，不同次序所對(duì)應(yīng)的子空間接近相互正交，說明大腦確實(shí)用到了三塊不同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(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(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。

　　研究人員還發(fā)現(xiàn)，不同次序的子空間之間共享了類似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，只是環(huán)的半徑大小會(huì)隨次序的增加而減小。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钪腥绻洃浀膬?nèi)容越多，越往后的信息便更容易出錯(cuò)。

　　該發(fā)現(xiàn)也可總結(jié)為在群體水平的空間信息編碼幾何結(jié)構(gòu)受時(shí)序調(diào)制的性質(zhì)。有意思的是，這種性質(zhì)并不完全適用于單個(gè)神經(jīng)元水平，而單神經(jīng)元活動(dòng)的增強(qiáng)調(diào)制正是經(jīng)典序列工作記憶模型的關(guān)鍵假設(shè)，提示了序列記憶的編碼應(yīng)更加關(guān)注群體神經(jīng)元性質(zhì)。

　　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。

　　(總臺(tái)央視記者 帥俊全)