猕猴是演化上最接近人类的模式动物，其认知能力、大脑的结构与功能相比于其他模式动物更接近人类。为探究时序记忆编码问题，研究人员训练猕猴记忆由多个位置点组成的空间序列。研究人员猜想，猕猴的大脑中也有一块“屏幕”，猕猴可以把出现过的点记在这个屏幕上。“令人高兴的是，这个研究结果为这一理论假设提供了实验数据支持。这就是科学魅力之所在！”这一研究还将对受大脑启发的人工智能产生影响。
北京冬奥会上，谷爱凌在起跳前有一个习惯，摆动身体把比赛动作在脑子里“过”一遍。在中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究员看来，如果把每一个比赛动作视为空间上的一个点，谷爱凌是把这些动作映射到一个序列的不同时序中，并对该序列记忆进行预演，这对接下来的记忆提取将更加顺畅。
人类大脑无时无刻不在处理序列信息，但大脑如何对这些序列信息进行“编码”，我们知之甚少。2022年2月11日，国际权威学术期刊《科学》以长文形式发表了王立平研究组、上海脑科学与类脑研究中心闵斌副研究员和北京大学唐世明课题组合作的研究成果。他们发现猕猴大脑神经元以群体编码的形式表征了序列中的每一个空间位置，并在这些表征中发现了类似的环状几何结构。该研究推翻了经典序列工作记忆模型的关键假设，为理解神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的见解，将对受大脑启发的人工智能产生影响。
【猕猴大脑中同时存在三块独立的“屏幕”】
序列信息无处不在，在更大的时空尺度上，中国农历的24个节气也是大自然对序列信息的记忆。
大脑需要在应用时序信息之前记住整个序列。比如，问路时，要记住指路人的多个方向指引；跳舞时，要记住老师演示的一连串动作。不仅单个内容需要记牢，它们之间的顺序也不能被混淆。
猕猴是演化上最接近人类的模式动物，其认知能力、大脑的结构与功能相比于其他模式动物更接近人类。为探究时序记忆编码问题，研究人员训练猕猴记忆由多个位置点组成的空间序列。
任务中，猕猴面前的屏幕上会依次闪现三个不同的点，猕猴需要在几秒钟之后将这些点按之前呈现的顺序汇报出来。在这几秒的记忆保持期，空间序列信息便以工作记忆的形式被暂时储存在大脑中。为记录大脑神经元群体在猕猴进行任务时的活动状态，研究人员对工作记忆的大本营——外侧前额叶皮层，进行了双光子钙信号成像。钙信号可反映神经元的脉冲放电活动，而序列信息表征的关键，就在这几秒钟神经元群体的活动模式之中。
研究人员猜想，猕猴的大脑中也有一块“屏幕”，猕猴可以把出现过的点记在这个屏幕上。如何同时表征序列中多个信息呢？他们进而猜想，猕猴的大脑中同时存在三块不同的“屏幕”，这样每个“屏幕”只需记下一个点的信息，而且屏幕之间不会互相干扰。
通过钙信号成像获得的高维数据，证实了他们的猜想——猕猴大脑确实用了三块独立的“屏幕”来表征序列信息。
大脑用了三块独立的“屏幕”来表征序列信息
一直以来，经典序列记忆模型假设单个神经元是计算的基本单元，在不同次序扮演相似的角色。本项研究发现大量神经元在不同次序扮演完全不同的角色，从而推翻了该假设，提示序列记忆的“编码”应更加关注群体神经元水平，而不是单个神经元性质。
【将对受大脑启发的人工智能产生影响】
这一原创科学发现究竟有何意义？
神经科学和生物物理学家郭爱克院士评价，这一工作的创新性在于以猕猴的序列学习为对象，设计了时间和空间信息两个线索共存的实验范式，揭示了在工作记忆的时间尺度上，序列信息的神经编码和表征机制。
70年前，神经心理学家卡尔·拉施里提出了一个假设——为了控制序列动作，我们的大脑需要将其工作瞬间转移到持续的神经活动模式上。“令人高兴的是，这个研究结果为这一理论假设提供了实验数据支持。这就是科学魅力之所在！”郭爱克说。
(从左至右）王立平、闵斌和两位论文共同第一作者胡沛烑、谢洋在讨论
“认知活动的一个核心维度是时序。时序信息的表征和操作是包括记忆、语言等重要认知活动的基础。大脑如何编码时序信息是极为重要的未解之谜。”认知科学和实验心理学家陈霖院士评价，这是认知神经科学领域“里程碑”式的重要工作。
这一研究还将对受大脑启发的人工智能产生影响。上世纪人工智能领域就有研究者提出，如果能够模仿大脑神经网络对符号的表征，人工智能会有比较大的飞跃。“这一发现清楚地阐释了序列工作记忆的神经机制，也为理解神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的思路。”神经生物学家王以政院士认为。
栏目主编：黄海华 文字编辑：黄海华 题图来源：IC photo 图片编辑：邵竞
内图由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心提供
来源：作者：黄海华
