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生活中，人們聊天時(shí)會(huì)聽到一些對(duì)話、購(gòu)物時(shí)會(huì)看到商品價(jià)簽，而后大腦如何做到對(duì)言語中句法和語義的下意識(shí)理解、對(duì)購(gòu)物金額的加減乘除心算？

中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所，以下簡(jiǎn)稱腦智中心）研究員王立平、臨港國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員閔斌合作，通過訓(xùn)練獼猴在工作記憶中完成對(duì)空間序列的排序任務(wù)，發(fā)現(xiàn)了獼猴額葉神經(jīng)元對(duì)時(shí)序記憶操作時(shí)的群體表征與運(yùn)行計(jì)算機(jī)制。近日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》。

建立獼猴研究范式

“人類成為萬物之靈，源于大腦特有的高等智能，使得人類能對(duì)外來和內(nèi)在的信息進(jìn)行復(fù)雜處理，并作出最佳的行為反應(yīng)?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、腦智中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明介紹，比如人類能將一連串信息中的時(shí)間和空間順序及間隔進(jìn)行編碼，并進(jìn)一步存儲(chǔ)、理解、操縱和提取這些編碼的信息。有了這種信息處理能力，人類才能擁有語言、運(yùn)算和邏輯思維等高等智能。

“腦科學(xué)的終極目標(biāo)就是要理解大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何產(chǎn)生這些高等智能。這些智能是在靈長(zhǎng)類動(dòng)物演化過程中逐漸顯現(xiàn)的，而且在獼猴等非人靈長(zhǎng)類中已有苗頭?！逼涯矫鞅硎尽?/p>

人們對(duì)事件發(fā)生順序的記憶，就是時(shí)序記憶。對(duì)于時(shí)序信息的編碼、存儲(chǔ)、操作和使用則是許多高級(jí)認(rèn)知功能的基礎(chǔ)。人們對(duì)日常生活中聽到的話語、看見的事物，都會(huì)以不同的“顆粒度”進(jìn)行感知，接著進(jìn)入工作記憶中短暫存儲(chǔ)，再根據(jù)目的進(jìn)行加工處理。

為深入研究時(shí)序記憶的加工控制機(jī)制，王立平研究組近年來建立了一項(xiàng)基于空間位置序列的學(xué)習(xí)和記憶的獼猴研究范式，并從獼猴大腦獲取了大量神經(jīng)元集群的相關(guān)電活動(dòng)。

研究團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練獼猴記下一段由連續(xù)在不同位置閃現(xiàn)的點(diǎn)所組成的空間序列（記憶期1），再根據(jù)隨后出現(xiàn)的規(guī)則提示對(duì)該序列進(jìn)行排序（正向排序或者逆向排序），并在一定記憶時(shí)間（記憶期2）后進(jìn)行匯報(bào)。在此過程中，研究人員對(duì)獼猴的額葉皮層神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行了記錄和分析。

解碼大腦短時(shí)程編碼機(jī)制

王立平團(tuán)隊(duì)此前發(fā)表于《科學(xué)》的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，前額葉神經(jīng)元集群可以用它們放電的動(dòng)態(tài)變化模式（動(dòng)態(tài)空間的“子空間”）編碼空間序列信息，在序列中的各個(gè)相對(duì)位置都有其獨(dú)立的動(dòng)態(tài)子空間。

在前期研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)，對(duì)空間序列記憶信息進(jìn)行重新排序時(shí)，在記憶期1里不同次序的子空間中的位置信息會(huì)從原本的子空間中消失，而后在記憶期2中依據(jù)新的順序?qū)⒃镜男畔⒎湃肫鋵?duì)應(yīng)次序的子空間中。就像兩個(gè)盒子分別裝著紅球和綠球，當(dāng)排序發(fā)生后，紅球和綠球同時(shí)從自己所在的盒子中消失，而后又神奇地出現(xiàn)在對(duì)方的盒子中。

在對(duì)不同子空間之間的信息進(jìn)行交換時(shí)，每個(gè)子空間額外招募了一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)信息的新的子空間。每個(gè)子空間先把原先內(nèi)部的記憶信息傳遞給臨時(shí)子空間，等原本子空間中的記憶被清空之后，再將臨時(shí)子空間中的記憶信號(hào)傳遞給對(duì)方，從而完成了子空間之間記憶信息的交換。

此外，記憶空間中還存在一個(gè)表征規(guī)則的子空間。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，該規(guī)則子空間可能控制了次序子空間與臨時(shí)子空間之間的信息流動(dòng)，使得這些子空間在不同的排序規(guī)則下發(fā)生不同的動(dòng)力學(xué)過程。

新的起點(diǎn)

“和許多原始創(chuàng)新工作一樣，王立平實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)起點(diǎn)?！逼涯矫鼽c(diǎn)評(píng)道，這項(xiàng)工作清晰說明了3方面的內(nèi)容。

首先，在單細(xì)胞層面觀測(cè)高級(jí)腦區(qū)大群神經(jīng)元電活動(dòng)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，是理解序列學(xué)習(xí)和工作記憶編碼模式的有效途徑。

其次，建立分析大群神經(jīng)元活動(dòng)的有效計(jì)算范式和創(chuàng)新性理論框架，是描述和理解大群神經(jīng)元編碼規(guī)律的關(guān)鍵。

最后，從描述與認(rèn)知事件相關(guān)的神經(jīng)元編碼范式和規(guī)律，到理解在學(xué)習(xí)和工作記憶過程中感知覺信息如何建立神經(jīng)元集群活動(dòng)的編碼，以及如何提取編碼信息來驅(qū)動(dòng)認(rèn)知所引導(dǎo)的行為，未來仍有漫長(zhǎng)而艱巨的工作。

“工作記憶機(jī)理是揭示生物智能奧秘的重要突破口?！北本┐髮W(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、北京智源人工智能研究院理事長(zhǎng)黃鐵軍指出，“與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，包括大模型在內(nèi)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)特性相對(duì)簡(jiǎn)單。這一新發(fā)現(xiàn)有望促進(jìn)大模型可解釋性研究，并啟發(fā)大模型新架構(gòu)的探索?！?/p>

王立平團(tuán)隊(duì)總結(jié)說，作為多種智能活動(dòng)的基本運(yùn)算之一，工作記憶的排序機(jī)制不僅僅運(yùn)用于日常生活中的語言理解、項(xiàng)目規(guī)劃等方面，還可以推廣到因果推斷、邏輯推理等復(fù)雜認(rèn)知活動(dòng)中，這為進(jìn)一步揭示高級(jí)認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

此外，大腦與計(jì)算機(jī)運(yùn)算機(jī)制有著驚人的相似之處，如用于信息交換的臨時(shí)子空間和操作過程。對(duì)大腦認(rèn)知機(jī)制的深入研究可能有助于推動(dòng)類腦計(jì)算模塊向更加智能化、高效化發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)同時(shí)表示，臨時(shí)子空間的發(fā)現(xiàn)為明確意識(shí)的操作定義、揭示意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)提供了新見解。

相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1126/science.adp6091

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-10-10?第1版?要聞）