科學家揭秘大腦靠“旋轉”區分過去和現在，還給了個AI架構設計新思路 | Nature子刊

白交 2021-05-11 02:32:27 來源：量子位

楊凈 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

過去和現在的邊界，到底在哪里？

人類，又是如何在時間混沌中區分出過往與當下的？

注意，這不是一個哲學問題。（手動狗頭）

而是科學家們的最新研究。

兩個普林斯頓的神經學家，用幾何的方式回答了這一問題。

他們發現，人的大腦是通過“旋轉”的方式，來區分新的感官信息和早期記憶。

旋轉個90度，讓過去和現在互不干擾。

具體是如何實現的？

大腦如何感受時間？

一直以來，我們理解周圍環境、學習、行動和思考的能力，都有賴于感官和記憶之間連續、靈活的互動。

一方面，我們必須通過感官吸收周圍世界的新信息。與此同時，還要保持對早期現象、事件的短期記憶。

而要實現這一點，就需要大腦識別出感官和記憶的區別。

但以往的經驗表明，大腦并沒有將短期記憶功能，完整劃分到高級認知區域。

相反的，更多是劃分到表征經驗的感知區域、以及其他皮質中樞。

最近，兩位神經學家發表在Nature Neuroscience的研究，就揭示了大腦是如何同時處理兩者。

一句話來說就是，大腦“旋轉”感官信息，將其編碼為記憶。

兩個“正交”表征，同時從神經活動中提取信息，互不干擾。

要發現這事兒，科學家們將目光瞄準了小鼠的聽覺感知。

他們讓小鼠反復聽四個和弦序列，從而建立和弦之間的關聯。

當小鼠聽到一個初始和弦與另一個和弦時，能預測接下來會有什么聲音

這時候，科學家們訓練ML分類器來分析小鼠在聆聽過程中聽覺皮層上的神經活動。

隨著時間的推移，他們發現，關聯和弦的神經表征開始彼此相似。

不過也觀察到，當遇到不熟悉的和弦序列時，小鼠會改變它對先前輸入的表征。

這些神經元對過去刺激的編碼進行反向改變，使之與動物對后來刺激的編碼相匹配。

那么大腦又是如何對抗這些干擾，來保存正確的記憶呢？

研究人員訓練了另一個分類器來識別和區分過程中的記憶表征。

比如，當一個意外的和弦喚起與一個更熟悉的序列之間的比較時， 神經元的激活方式。

結果，分類器的確看到了完整的神經活動模式，并非直接去“修正”。

那些記憶編碼看起來與感官表征有很大不同，他們是通過“正交”維度組織起來的。

研究者表示，這一過程就像是在紙上寫筆記。

寫著寫著發現沒有空間里，就要把紙張旋轉90度，在另一側頁邊空白處寫字。

大概就像這樣。

這基本上就是大腦正在做的事情。

它得到了第一個感覺輸入，將它寫在紙上然后旋轉個90度。這樣就可以寫進新的感覺輸入，而不會受到干擾和覆蓋。

此外，他們排除了由不同的神經元獨立處理感官和記憶表征的可能性。

他們發現，神經元的活動可以整齊地分為兩類。

一類是負責感覺和記憶表征的“穩定”神經元，一類是活動時翻轉其反應模式的“轉換”神經元

感覺信息轉化為記憶的過程中，”穩定 “神經元和 “切換 “神經元的組合促進了感覺信息的轉化，前者隨著時間的推移保持其選擇性，后者隨著時間的推移顛倒其選擇性。

這些神經反應共同旋轉了群體表征，將感覺輸入轉化為記憶。

事實證明，這樣的方式需要的神經元和能量會更少。

這一研究來自普林斯頓大學的神經科學家Timothy Buschman 和他實驗室的研究生 Alexandra Libby。

△Timothy Buschman

Libby表示，這一研究有助于會給神經網絡架構提供新的設計思路，尤其是多任務處理的那種。

參考鏈接：
[1]https://www.quantamagazine.org/the-brain-rotates-memories-to-save-them-from-new-sensations-20210415/
[2]https://pni.princeton.edu/faculty/timothy-buschman
[3]https://www.nature.com/articles/s41593-021-00821-9