人類大腦的認知活動，如語言通訊、情景記憶等，都與時序資訊相關。大腦如何對時序資訊進行記憶？大陸科學家的一項最新研究，推翻了經典時序記憶模型的關鍵假設，首次揭示了大腦時序記憶的神經機制。
這項研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、中國科學院靈長類神經生物學重點實驗室王立平研究組，上海腦科學與類腦研究中心闵斌副研究員和北京大學生命科學學院唐世明課題組合作完成。2月11日，國際權威學術期刊《自然》發表了相關研究論文。
2月11日，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介紹科研成果。 新華社記者 張建松攝
據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介紹，經典時序記憶模型的關鍵假設，主要是大腦單神經元的編碼性質。而最新的研究則表明，大腦對序列資訊進行的時空整合，發生在群體水準而不是單個神經元層面。高維神經元狀态空間可以分解為多個二維子空間，利用“降維原則”，序列資訊編碼降低了神經計算的複雜性，便于區分資訊的時序。
這一科學結論，來源于科學團隊以猕猴為研究對象的巧妙實驗。猕猴是演化上接近人類的靈長類動物，其認知能力、大腦的結構與功能和人類十分接近，是科學家研究人類大腦複雜進階認知功能的最佳模型。
為了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。在實驗任務中，猕猴面前的螢幕上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。在彙報前的幾秒記憶保持期内，空間序列的資訊以工作記憶的形式，被暫時儲存在大腦中。
在此過程中，科研人員對猕猴儲存工作記憶的腦區--外側前額葉皮層，進行了雙光子鈣信号成像。鈣信号可以反映神經元的脈沖放電活動，即猕猴大腦神經元群體在執行任務時活動狀态。
研究人員通過分析鈣成像獲得的高維資料，發現在高維向量空間裡面，可以通過“降維”找到每個次序的資訊所對應的二維子空間。在每個子空間内，不同的點所對應的空間位置，與真實視覺刺激的環狀幾何結構保持了一緻。而且，不同次序所對應的子空間幾乎沒有重疊，即序列中的每個資訊都有獨立的儲存空間。
猕猴空間序列記憶任務。（受訪者供圖）
進一步研究還顯示，次序越靠後的子空間裡，環狀結構的半徑越小，對應所配置設定到的注意資源越少。這一發現也對應了序列記憶的行為表現，例如我們日常生活中如果記憶的内容越多，越往後的資訊便更容易出錯。
“這項研究是第一次在群體神經元水準，闡釋了序列工作記憶的計算和編碼原理，提示我們對大腦序列記憶編碼研究，今後應更加關注群體神經元性質。”王立平說。
業内專家認為，中國科學家的這項最新研究，發現了大腦在時序記憶中的“降維原則”，為了解“神經網絡如何進行符号表征”這一難題提供了新的思路。正如哲學家叔本華所說：“簡約性永遠是真理和天才的共同特征。”這一原創性研究，揭示了人類大腦在時序表征上的複雜性和簡約性的辯證統一，将對受腦啟發的人工智能研究産生深遠影響。（記者張建松）