雷竞技-追问｜当我们记忆和思考时，大脑在干什么？—新闻—科学网

“那些大师认为很复杂的高级认知功能，好比推理、数学计较、利用符号等等，在年夜脑里的工作道理是可以研究的。只要我们找到准确的体例将问题分化和组合，便可以试图回覆那些更加抽象的问题，好比关在意识的问题的。”

要对年夜脑如许的复杂生物系统进行表征和阐发，除具有生物学常识以外，与数学、物理、信息和心理等学科普遍合作的主要性日趋突显。

在糊口中，我们一向在对各类各样的信息进行记忆、排序和矫捷地挪用，好比打牌时思虑出牌挨次、出行时计划线路、放置工作内容的前后等。

排序是如斯的频仍和天然，以致在人们经常意识不到这些使命有多复杂。假如用计较机去实现这类排序使命，就需要经由过程硬件和算法的共同，对信息进行编码、贮存、计较比力和挪用等一系列繁琐的步调。那末年夜脑是若何完成这项功能的呢？

分歧在计较机的硬件布局，年夜脑是由上亿个神经元细胞构成的重大收集。人们固然领会它的各种认知功能，却对其底层逻辑所知甚少，犹如一个“黑盒子”。近日，一项研究经由过程对猕猴进行心理排序使命时神经元勾当的记实和阐发，揭露了年夜脑的工作记忆模式。该研究题为《猕猴额叶皮层对空间序列信息的工作记忆编程》，在2024年9月27日颁发在《科学》（Science）杂志上，作者是来自中国科学院脑科学与智能手艺出色立异中间（以下简称“脑智出色中间”）的王立平团队。

在该研究中，两只猕猴被练习履行一个延迟序列排序使命。它们需要记忆屏幕中呈现在分歧序各位置的圆点图案，随后会在系统提醒下对序列进行正向或逆向的排序，最后经由过程触摸屏幕来报告请示成果。研究者们将微驱动电极阵列植入猕猴的前额叶皮层，记实了数千个神经元的电勾当，并对成果进行数学描写，阐发此中表示出来的模式。

研究者们记实猕猴在处置排序使命时的神经勾当，发现顺序信息被记实在零丁的“子空间”中，并经由过程姑且子空间进行互换排序。图片来历：《科学》杂志

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该研究发现，在排序使命中，每种顺序的信息都被记实在一个对应的、反应神经元分歧全局状况的“子空间”中。当面临需要更调挨次的认知使命时，子空间中的挨次信息会进行互换，体例是经由过程构成姑且子空间来存储和转移信息。另外，当猕猴被要求以挨次或倒序的分歧法则来挪用顺序信息时，存在一个存储法则的子空间来节制信息的流向。

该研究加深了人们对年夜脑工作记忆底层逻辑的理解。经由过程这些空间模式，研究人员乃至可以或许反向揣度猕猴所看到的内容和排序成果，犹如“读心术”一般。

猕猴的排序能力跟人类有甚么区分？该若何理解这些“子空间”所代表的年夜脑纪律？若何研究“意识”等更加复杂的认知现象？为了回覆这些问题，近日，彭湃科技采访了该研究的第一作者、脑智出色中间博士研究生田拯赫，和通信作者、脑智出色中间研究员王立平。

从功能到底层：打开工作记忆的“黑盒子”

在神经认知科学中，在脑筋中对事物排序被认为与工作记忆（working memory）紧密亲密相干。与长时记忆分歧，工作记忆首要触及对短时间记忆的保持与把持，以应对顿时需要面临的认知情境。

“良多理论都发生在一些直不雅的经验，再不竭地去进行批改。”王立平介绍道，“持久与短时间记忆的别离挺直不雅的——有的工具能记得好久，而有的工具很快就忘了。后来大师又发现，记忆在脑中是颠末‘把持’的，好比被‘紧缩’：良多记忆缺掉了细节，只留有印象。而在短时间记忆中，这类把持表现在经由过程对有限容量的记忆进行组合来解决当下的问题。假如只有‘记忆’没有‘工作’，那甚么也干不了。”

王立平说，工作记忆中把持的部门触及到推理等认知进程，相对复杂，相干研究还比力少。这项研究就是为了弥补这方面的空白。

不管是记忆的存储和操作，都需要在年夜脑的物理层面找到对应的进程加以验证，以构成完全的注释。从布局和形态层面上，年夜脑年夜致被分为额叶、顶叶、颞叶与枕叶四个部门。以往的研究发现，前额叶皮质中的神经元在工作记忆使命中表示出持久的勾当，且可以或许自上而下地发出影响年夜脑其它区域的旌旗灯号。

而在细胞层面，年夜脑是由上亿个（人类为860亿个）分歧种类的神经元细胞经由过程突触毗连而成的复杂收集，经由过程电流等旌旗灯号递质进行交换。从这个角度上来看，年夜脑其实不是像电脑那样以功能明白的模块化体例运行的，而是一个年夜范围的并行收集：一样的神经元可能普遍介入分歧的认知勾当。

跟着手艺的成长，科学家们已可以或许同时监测更多单个神经元的勾当，从底层还原年夜脑的运行状况。在这项研究中，研究者们利用了157通道的微电极阵列同时丈量了猕猴前额叶皮质中4191个神经元在工作记忆使命进程中的勾当状态。

具有了监测神经元勾当的手艺手段，研究者们还需要经由过程适合的尝试设计来包管丈量和阐发成果可以或许构成有力的注释。王立平认为，固然工作记忆触及复杂的认知功能，但也能够将其分化成清楚而简单的进程加以申明。

“真实的智能都是抽象的。但那些大师认为很复杂的高级认知功能，好比推理、做数学、利用符号等等，在年夜脑里的表征是可以研究的。只要我们找到准确的体例将问题分化和组合，便可以试图回覆那些更加抽象的问题，好比关在意识的问题的。”他说。

本研究经由过程一个奇妙的尝试将心理排序分化成了三个阶段。在第一个阶段，猕猴需要记住屏幕上2到3个按挨次闪灼的点。颠末短暂的延迟（500至700毫秒）后，在第二个阶段，猕猴将会看到一张图片，假如看到黄瓜，意味着它需要按挨次报告请示。假如看到苹果，它就需要反过来报告请示挨次。

猕猴记住点的位置顺序，并按提醒正序或逆序报告请示。图片来历：《科学》杂志

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如许一来，猕猴就在脑中存储了顺序的记忆，并对这些记忆进行了正向或反向的把持。一样颠末短暂延迟以后，在最后一个阶段，它会遭到最先报告请示的图片提醒（一个蓝点），随后经由过程触摸屏幕来点选成果。

研究利用的猕猴颠末了持久的练习，使它们可以或许将留意力集中在使命上，并可以或许理解图片指令的寄义。田拯赫告知彭湃科技，记忆排序乃至理解符号为良多动物所把握，并不是人类独有的“高级”勾当。从这个意义上说，猕猴尝试可以或许成为摸索人类年夜脑纪律的主要参考。

表征年夜脑：描写神经收集的运作模式

丈量了猕猴在排序使命中的神经元勾当以后，下一步即是对这些数据进行阐发，看看年夜脑在这个进程中到底在“干甚么”。

在面临记忆和排序使命时，猕猴年夜脑中的神经元同时勾当，而每一个神经元的放电强度有高有低，构成了年夜脑的分歧状况。王立平说，这就像一个交响乐团一样，固然在吹奏一首曲目，但此中分歧成员在吹奏的旋律、节拍和强弱不尽不异。经由过程将成员个别归为一类，好比“弦乐组”、“管乐组”，就可以“以管窥豹”，摸索全部曲目标模式。

研究者起首要在使命刺激和神经元状况之间成立联系。“可以理解成成立单个神经元状况（因变量y）与顺序信息（自变量x）之间的关系方程，此中神经元状况跟着猕猴面临的顺序信息的分歧而转变。我们丈量了4000多个神经元，就有4000多个如许的方程。”田拯赫介绍道，本科进修凝集态物理的他具有很强的数学思惟。

“每组方程的解代表着某一个神经元对各个顺序和位置信息的响应巨细，那末4000组解拼在一路就是所有神经元对这些位置的群体响应。”他说，“我们再去找这些群体响应的最显著的标的目的，或叫模式。”

从向量的角度来看，特按时刻这些神经元的整体状况是一个4000多维空间中的一点。面临分歧的使命和在分歧的时候，代表这些状况的点就在这个高维空间中构成了一个几何布局。经由过程主成份阐发雷竞技（PCA）等数学手段，研究团队就可以够从中辨认出具有整体特点且能反应特定使命信息的“子空间”。

田拯赫注释道，从数学上来讲，子空间代表着那4000多个方程中有哪些在面临特定使命时加倍显著。对应到年夜脑层面，子空间代表所有这些神经元的某种特定组合，此中每一个神经元都阐扬了必然感化。

因为子空间反应了特定的模式，是以可以理解为这些空间上“记录”了年夜脑所存储的信息。研究团队发现，屏幕上多个圆点位置的信息贮存在分歧子空间中，当猕猴不需要对圆点进行排序时，这些信息随时候连结不变。

而当猕猴看到苹果图片从而需要重排挨次时，每一个本来的子空间会额外招募一个姑且的新子空间，先把本来内部的记忆信息传递到此中，等本身信息被清空以后，再将姑且子空间中的记忆旌旗灯号传递给要互换的空间。

在两只猕猴脑中的顺序子空间与姑且子空间中，分歧神经元的尺度化介入比率（NPR）。图片来历：《科学》杂志

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“就像互换杯子里的水一样。日常平凡我们互换两个杯子里的水，拿一个新杯子就好。而对年夜脑来讲，它会拿出两个新杯子用来互换。”田拯赫说。

该研究还发现有一个子空间其实不记实具体的顺序信息，而是与正序或倒序的法则有关。在分歧法则下，这个子空间的状况会随时候显现分歧的成长轨迹。研究团队猜测这个子空间节制了顺序子空间与姑且子空间之间的信息活动，可以倡议和门控互换进程。

田拯赫注释，假如沿用互换杯中水的比方，那末这个子空间就像端着水的办事员，在他左侧的客人需要互换杯中水，而在他右侧的则不需要。当左侧的客人号召他时，他就会朝何处走去，并拿出两个新杯子。右侧的客人号召时，他则会直接把两杯水端曩昔。

“固然，这里的水、杯子、办事员和互换动作，都是年夜脑的分歧状况，犹如一张脸的分歧侧面。”田拯赫说。

跟着手艺手段的提高，科学家们可以或许取得的生物数据愈来愈多，也愈来愈底层。要对年夜脑如许的复杂生物系统进行表征和阐发，除具有生物学常识以外，与数学、计较机、物理、化学等学科普遍合作的主要性日趋突显。王立平提到，他的研究团队招收的博士生中有良多都是来自其它专业，大师经由过程分歧角度的思惟碰撞带来了良多新的研究思绪。

“在良多范畴导师纷歧定比学生晓得多，要彼此进修交换。”他说。

作为该研究的第一作者，田拯赫认为研究组里彼此合作、开放会商的空气对展开冲破性研究很是要害，“可以自由地表达和测验考试本身的设法很是主要。”

（彭湃新闻练习生黄煜博对本文亦有进献）

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