北京冬奧會上，谷愛淩在起跳前有一個習慣，擺動身體把比賽動作在腦子裡“過”一遍。在中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王立平研究員看來，如果把每一個比賽動作視為空間上的一個點，谷愛淩是把這些動作映射到一個序列的不同時序中，并對該序列記憶進行預演，這對接下來的記憶提取将更加順暢。

人類大腦無時無刻不在處理序列信息，但大腦如何對這些序列信息進行“編碼”，我們知之甚少。2022年2月11日，國際權威學術期刊《科學》以長文形式發表了王立平研究組、上海腦科學與類腦研究中心闵斌副研究員和北京大學唐世明課題組合作的研究成果。他們發現猕猴大腦神經元以群體編碼的形式表征了序列中的每一個空間位置，并在這些表征中發現了類似的環狀幾何結構。該研究推翻了經典序列工作記憶模型的關鍵假設，為理解神經網絡如何進行符号表征這一難題提供了新的見解，将對受大腦啟發的人工智能産生影響。

【猕猴大腦中同時存在三塊獨立的“屏幕”】

序列信息無處不在，在更大的時空尺度上，中國農曆的24個節氣也是大自然對序列信息的記憶。

大腦需要在應用時序信息之前記住整個序列。比如，問路時，要記住指路人的多個方向指引；跳舞時，要記住老師演示的一連串動作。不僅單個内容需要記牢，它們之間的順序也不能被混淆。

猕猴是演化上最接近人類的模式動物，其認知能力、大腦的結構與功能相比于其他模式動物更接近人類。為探究時序記憶編碼問題，研究人員訓練猕猴記憶由多個位置點組成的空間序列。

任務中，猕猴面前的屏幕上會依次閃現三個不同的點，猕猴需要在幾秒鐘之後将這些點按之前呈現的順序彙報出來。在這幾秒的記憶保持期，空間序列信息便以工作記憶的形式被暫時儲存在大腦中。為記錄大腦神經元群體在猕猴進行任務時的活動狀态，研究人員對工作記憶的大本營——外側前額葉皮層，進行了雙光子鈣信号成像。鈣信号可反映神經元的脈沖放電活動，而序列信息表征的關鍵，就在這幾秒鐘神經元群體的活動模式之中。

研究人員猜想，猕猴的大腦中也有一塊“屏幕”，猕猴可以把出現過的點記在這個屏幕上。如何同時表征序列中多個信息呢？他們進而猜想，猕猴的大腦中同時存在三塊不同的“屏幕”，這樣每個“屏幕”隻需記下一個點的信息，而且屏幕之間不會互相幹擾。

通過鈣信号成像獲得的高維數據，證實了他們的猜想——猕猴大腦确實用了三塊獨立的“屏幕”來表征序列信息。

大腦用了三塊獨立的“屏幕”來表征序列信息

一直以來，經典序列記憶模型假設單個神經元是計算的基本單元，在不同次序扮演相似的角色。本項研究發現大量神經元在不同次序扮演完全不同的角色，從而推翻了該假設，提示序列記憶的“編碼”應更加關注群體神經元水平，而不是單個神經元性質。

【将對受大腦啟發的人工智能産生影響】

這一原創科學發現究竟有何意義？

神經科學和生物物理學家郭愛克院士評價，這一工作的創新性在于以猕猴的序列學習為對象，設計了時間和空間信息兩個線索共存的實驗範式，揭示了在工作記憶的時間尺度上，序列信息的神經編碼和表征機制。

70年前，神經心理學家卡爾·拉施裡提出了一個假設——為了控制序列動作，我們的大腦需要将其工作瞬間轉移到持續的神經活動模式上。“令人高興的是，這個研究結果為這一理論假設提供了實驗數據支持。這就是科學魅力之所在！”郭愛克說。

(從左至右）王立平、闵斌和兩位論文共同第一作者胡沛烑、謝洋在讨論

“認知活動的一個核心維度是時序。時序信息的表征和操作是包括記憶、語言等重要認知活動的基礎。大腦如何編碼時序信息是極為重要的未解之謎。”認知科學和實驗心理學家陳霖院士評價，這是認知神經科學領域“裡程碑”式的重要工作。

這一研究還将對受大腦啟發的人工智能産生影響。上世紀人工智能領域就有研究者提出，如果能夠模仿大腦神經網絡對符号的表征，人工智能會有比較大的飛躍。“這一發現清楚地闡釋了序列工作記憶的神經機制，也為理解神經網絡如何進行符号表征這一難題提供了新的思路。”神經生物學家王以政院士認為。

欄目主編：黃海華 文字編輯：黃海華 題圖來源：IC photo 圖片編輯：邵競

内圖由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心提供

來源：作者：黃海華

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