不迷路的秘密 藏在你脑海中的“屏幕”里

在问路的时候，要记住引路人给的一系列方向；学习新的舞蹈动作时，要记住老师示范的一系列动作模式。人脑在记忆时，往往不仅要记住单个内容，还要记住内容之间的顺序。那么，这种记忆顺序，也就是时序信息，在头脑中的呈现方式是怎样的呢？

2月11日，《科学》期刊发表了一项研究的研究论文。在这项研究中，科学家训练恒河猴在不同位置记忆晶格，并利用活体双光子钙成像技术记录恒河猴前额叶皮层的神经元活动。研究人员发现，神经元以组编码的形式表示序列中的每一个空间位置，并在这些表示中发现了类似的圆形几何结构。这项研究为理解如何用神经网络表示符号这一难题提供了新的见解。

该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室王立平研究组、上海脑科学与类脑研究中心副研究员闵斌、北京大学生命科学学院唐世明研究组共同完成。

从最像人类的动物开始，研究你头脑中的“屏幕”。

人脑无时无刻不在处理序列信息。无论是语言交流、动作执行还是情景记忆，都涉及到顺序信息在大脑中的呈现，即顺序的表征。认知心理学家早在19世纪初就开始思考序列信息的表征，但我们对大脑神经如何记忆序列信息仍然知之甚少。

猕猴是进化上最接近人类的模式动物。与其他模式动物相比，其认知能力、脑结构和功能更接近人类，是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳实验对象。因此，研究人员训练猕猴记忆由多个位置点组成的空间序列。

在任务过程中，猕猴面前的屏幕会依次闪烁三个不同的点，猕猴需要在几秒钟内按照之前呈现的顺序报告这些点。在报告前的几秒钟，由这些点的位置组成的空间序列信息被暂时存储在大脑中。

研究人员对工作记忆的大本营——的外侧前额叶皮层进行了双光子钙信号成像。这样就可以记录点的位置对应的空间信息和不同阶次对应的时间信息所带来的大脑神经元的群体活动状态。钙信号可以反映神经元的脉冲放电活动，序列信息表征的关键在于记忆期神经元群体的活动模式。

大脑是如何在这期间同时显示第三个时间点的位置的？研究人员怀疑猕猴的大脑中存在一个“屏幕”，猕猴可以将自己在这个“屏幕”上看到的点记录下来。但如果在记忆保持期内，这个屏幕上同时显示三个点，那么每个点的顺序应该如何体现呢？猕猴的大脑里会有三块不同的“屏幕”吗？这样每个屏幕只需要写下一个点的信息，屏幕之间不会互相干扰。

研究人员分析了钙成像获得的高维数据，发现在高维向量空间中可以找到每一阶信息对应的二维子空间，即发现了恒河猴大脑中的三块“屏幕”。而且这些“屏幕”上的点的位置所形成的几何结构与猕猴观看的真实屏幕中的点的环形结构是一致的。各种分析表明，这些“屏幕”并不相交，这表明大脑确实使用三个独立的“屏幕”来表示序列信息。

为了进一步探索大脑是否总是记忆具有相同“屏幕”的不同类型的空间序列，研究人员对数据进行了解码和分析，即使用机器学习方法训练线性分类器来区分不同顺序的空间信息。例如，如果解码器由猕猴正确反应时神经元群的活动训练，更好的解码r

为什么记忆越多越容易出错？答案在环形结构中。

在神经系统中，有一个维数和神经元数目相同的高维向量空间，有上百个维度用于记忆存储和分析。在记录定时信息时，子空间生成一个环形结构来存储信息。

不同子空间的表示共享相似的环结构，随着阶数的增加，环的半径会减小。一种可能的解释是，顺序越低的信息被分配的注意资源越少，导致相应的环越小，区分度越低。这种结构也对应于顺序记忆的行为。比如日常生活中我们记住的内容越多，后面的信息就越容易出错。

该研究首次在群体神经元水平上解释了顺序工作记忆的计算和编码原理，也为如何在神经网络中表示符号提供了新的思路。20世纪80年代，人工智能领域的研究人员提出了张量积的概念来实现神经网络对符号结构的表示，但它如何在神经网络层面自然浮现的问题一直没有得到很好的解决。工作记忆的神经表征恰好对应于将符号表征从对应阶的子空间嵌入到高维向量空间，同时支持下游神经网络对符号结构信息的线性读取。

脑科学可以对行为和神经元活动进行系列建模、解释和预测。通过对时间序列信息的研究，也可以期待神经科学对人工智能技术的启发。机器学习和神经科学的互动发展，让人们看到了工业革命中机器取代人工的可能性，也预示着下一次革命。