来源：青年报·青春上海  时间：2022/02/14  记者：刘晶晶 

　　北京冬奥会上，坡面障碍、花样滑冰等等运动员们一整套动作的完美表现，其实都是时序信息和空间信息的完美融合。而这背后的大脑神经编码机制，我们仍知之甚少。来自中国脑科学家们的一项研究对此有了突破。

　　大脑如何为时序信息记忆“编码”？ 

　　2月11日，《Science》期刊以长文形式发表了题为《序列工作记忆在猕猴前额叶表征的几何结构》的研究论文。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闵斌副研究员和北京大学生命科学学院唐世明课题组合作完成。

　　大脑是如何思考的？一种是靠直觉，是情绪性的，一种则是深思熟虑、逻辑性的，是一种慢思考。“我们研究的长远意义就是去看大脑是如何进行这种具有逻辑性的思考工作的。”王立平介绍说，慢思考有两个主要成分，先把信息暂时放在大脑中，去保持一段时间，第二个成分是操作这些信息。他举了个例子，要记住“bu da ku pi”这串序列，过一会再进行重新排序，此时大脑就在处理序列信息。

　　人类大脑无时无刻不在处理序列信息，不论是语言沟通、动作实施还是情景记忆，本质上都涉及对时序信息的表征。另一方面，序列的执行需要一定的时间，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给出的一系列方向指引，学习新的舞蹈动作时记住老师演示的一连串动作模式，在这些情况下，不仅单个内容需要被记住，它们之间的顺序也不能被混淆。认知心理学家们早在19世纪初就开始思考序列信息的表征方式，序列信息编码也被认为是人类语言句法结构的前提。但是，我们对于具有时序信息记忆的大脑神经编码机制仍知之甚少。

　　为了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，并利用在体双光子钙成像技术记录猕猴大脑前额叶皮层的神经元活动。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。在汇报前的几秒记忆保持期内，空间序列的信息便以工作记忆的形式被暂时储存在大脑中。实验表明，猴子的大脑神经元活动也编码了“屏幕”，猴子可以把出现过的点记在这个屏幕上。为了区分时间顺序，每个次序的信息在大脑里都有其对应的“屏幕”，且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，发现可以在高维向量空间里面找到每个次序的信息所对应的二维子空间，即找到其对应的“屏幕”。在每个子空间内，不同的点所对应的空间位置与真实视觉刺激的环状结构保持了一致。研究人员还发现，不同次序的子空间之间共享了类似的环状结构，只是环的半径大小会随次序的增加而减小。这可能是因为次序靠后的信息所分配到的注意资源更少，导致对应的环变小、区分度降低。“这也解释了为何我们记忆的内容越多，记忆提取时越往后的信息便更容易出错。”王立平说。

　　成果对人工智能研究也将带来启示 

　　这项研究的意义就在于，第一次在群体神经元水平阐释了序列工作记忆的计算和编码原理。研究人员发现神经元以“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，也为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的思路。

　　所谓的“群体编码”，就好像是一个交响乐团，大脑中的每个神经元都是一个乐手，传统对记忆表征的研究只基于单神经元，但其实所有乐手也即所有神经元在一起“演奏”才形成了一些序列记忆。王立平解释说，经典序列工作记忆模型是基于单个神经元的研究，传统研究认为这些“乐手”在不同曲子中都是小提琴手，所从事的工作是不变的，“但我们的研究是基于整个乐团，我们发现有一些神经元在不同曲子中是扮演不同角色的，从群体上看，同样参与了序列记忆的编码，对记忆也是有贡献的。”

　　“在人类大脑的认知活动中，如语言通讯，执行各种功能，情景记忆等都与时序信息有关。例如唱一首歌，听一段音乐。一般地说，歌是不能倒着唱的。又如在本届北京冬奥会上，中国17岁小将苏翊鸣在坡面障碍技术赛场的行云流水般的完美表现也是时序信息和空间信息的完美融和。在更大的时空尺度上，我们可以说中国农历的24个节气也是大自然对序列信息的记忆。”著名神经科学和生物物理学家郭爱克院士表示，这是一篇重要的科学论文，将对受脑启发的人工智能研究发生影响。

　　中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究组博士后谢洋和研究助理胡沛烑为论文共同第一作者，研究助理李俊汝、博士生陈静文和北京大学研究生宋卫彬在课题的不同阶段作出了贡献。法国国家健康与医学研究院Stanislas Dehaene教授、纽约大学汪小京教授和中科院脑智卓越中心杨天明研究员参与本研究。中科院、基金委、科技部和上海市政府资助了本工作。

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