作者：朱敏 周洪 2022-02-11 09:47 来源：央广网
北京冬奥会正如火如荼，运动员在赛场上频频展现的精彩动作也惊艳全球。为什么他们能够这样自如地在冰雪场上腾跃翻飞？他们又是怎样记住这些复杂的高难度动作呢？事实上，这些都与大脑的序列信息编码有关。科学家们也正在探索其中的奥秘。
近日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室等单位的研究团队合作完成了一项研究，揭示了在工作记忆的时间尺度上，序列信息在大脑前额叶皮层的神经编码和表征机制，为理解神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的见解。那么，序列信息是如何在大脑中表征的？
歌不能倒着唱，电话号码的数字顺序不能混，舞蹈动作一招一式不能乱……生活中，人们经常碰到时序记忆的问题。大脑是如何把这些信息进行编码，并依序存储在几秒的短时记忆中呢？中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心博士后、该成果论文第一作者谢洋告诉记者，早在19世纪初，认知心理学家们就开始思考序列信息的表征方式。但是，对于具有时序信息记忆的大脑神经编码机制，人类仍知之甚少。
谢洋说：“这些时序信息在我们的生活中其实时时刻刻都出现，我们需要理解大脑是如何理解它、编码它以及如何处理它，只有理解了这些，在时序信息出现问题时，我们才能知道应该怎么解决。”
猕猴空间序列记忆任务
时序信息是记忆、语言认知活动的基础
那么，大脑如何在记忆期内同时表征序列中多个信息呢？研究人员猜想猕猴的大脑中也有一块“屏幕”，猕猴可以把出现过的点记在这个屏幕上。可如果三个点同时在记忆保持期内显示在了这个屏幕上，每个点的次序又该如何体现呢？
谢洋表示：“我们发现在猕猴的脑子里，如果只有一个点闪现的时候，它脑子里可能只需要一群神经元对这一个屏幕有一个反应就好了。但是如果变成时间空间序列，这个序列需要猴子记住三个点的，我们的研究发现，其实在猕猴的脑子里会同时出现三个屏幕：第一个屏幕表征时间序列上出现的第一个点的位置，第二个屏幕去表征顺序上第二点的位置，以此类推到第三个点。这三块屏幕它们相互之间其实是结耦联状态，或者它们相互之间干扰很小，它们的几何结构我们称之为是正交的状态。这样的结果，它其实暗示了空间序列记忆相互之间是可以处在一个干扰比较小的状态，然后才能够很好地记住。”
序列记忆在神经高维向量空间的表征
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。一个可能的解释是，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。这一结构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。
该研究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，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。中国科学院院士、著名神经科学和生物物理学家郭爱克评价：这个发现揭示了序列信息编码利用了降维原则，从而降低了神经计算复杂性。此外，谢洋指出，这一发现还将为后续更复杂的时序信息研究提供基础。
谢洋说：“时序信息其实就是记忆、语言这些认知活动的基础，所以我们现在的工作可以为我们研究更复杂的时序信息，比如说语言、音乐、数学提供更好的基础。大家可以从我们现在的研究结果出发，更好地了解更复杂的时序信息是如何表征的。从类脑计算、人工智能的角度，大家在设计人工神经网络的时候，可以在一定程度上受到我们现在工作的启发。”
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猕猴是演化上最接近人类的模式动物，其认知能力、大脑的结构与功能相比于其他模式动物更接近人类，是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型。因此，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。
谢洋介绍：“首先在猕猴的正前方会有一个电脑屏幕，在电脑屏幕上会有一些在不同的空间位置上，它会依次闪现三个不同的点。当然每一次猕猴看到的空间位置序列是不一样的。有的时候它可能看到空间位置三个点是：左上、左下、右上这样三个点，然后到下一次它可能需要看到的点是：正左、正右、正下三个点。当它看到了依次闪现的三个不同的点以后，猕猴需要在几秒钟之内把这个点的顺序和位置都给记住，然后再经过一个随机的时间，可能是2秒、4秒，它需要把刚才它记住的空间顺序给汇报出来。”
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