大脑如何进行时序记忆？原来是“降维”！

人类大脑的认知活动，如语言通讯、情景记忆等，都与时序信息相关。大脑如何对时序信息进行记忆？我国科学家的一项最新研究，推翻了经典时序记忆模型的关键假设，首次揭示了大脑时序记忆的神经机制。

这项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。2月11日，国际权威学术期刊《自然》发表了相关研究论文。

2月11日，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介绍科研成果。 新华社记者 张建松摄

据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介绍，经典时序记忆模型的关键假设，主要是大脑单神经元的编码性质。而最新的研究则表明，大脑对序列信息进行的时空整合，发生在群体水平而不是单个神经元层面。高维神经元状态空间可以分解为多个二维子空间，利用“降维原则”，序列信息编码降低了神经计算的复杂性，便于区分信息的时序。

这一科学结论，来源于科学团队以猕猴为研究对象的巧妙实验。猕猴是演化上接近人类的灵长类动物，其认知能力、大脑的结构与功能和人类十分接近，是科学家研究人类大脑复杂高级认知功能的最佳模型。

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。在实验任务中，猕猴面前的屏幕上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，空间序列的信息以工作记忆的形式，被暂时储存在大脑中。

在此过程中，科研人员对猕猴储存工作记忆的脑区--外侧前额叶皮层，进行了双光子钙信号成像。钙信号可以反映神经元的脉冲放电活动，即猕猴大脑神经元群体在执行任务时活动状态。

研究人员通过分析钙成像获得的高维数据，发现在高维向量空间里面，可以通过“降维”找到每个次序的信息所对应的二维子空间。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几何结构保持了一致。而且，不同次序所对应的子空间几乎没有重叠，即序列中的每个信息都有独立的储存空间。

猕猴空间序列记忆任务。（受访者供图）

进一步研究还显示，次序越靠后的子空间里，环状结构的半径越小，对应所分配到的注意资源越少。这一发现也对应了序列记忆的行为表现，例如我们日常生活中如果记忆的内容越多，越往后的信息便更容易出错。

“这项研究是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，提示我们对大脑序列记忆编码研究，今后应更加关注群体神经元性质。”王立平说。

业内专家认为，中国科学家的这项最新研究，发现了大脑在时序记忆中的“降维原则”，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。正如哲学家叔本华所说：“简约性永远是真理和天才的共同特征。”这一原创性研究，揭示了人类大脑在时序表征上的复杂性和简约性的辩证统一，将对受脑启发的人工智能研究产生深远影响。（新华社记者 张建松）

2月11日，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介绍科研成果。新华社记者 张建松 摄