科學家首次系統闡釋記憶編程機制

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，以下簡稱腦智中心）研究員王立平、臨港國家實驗室研究員閔斌合作，通過訓練獼猴在工作記憶中完成對空間序列的排序任務，發現了獼猴額葉神經元對工作記憶操作時的群體表征與運行計算機制。9月27日，相關研究在線發表于《科學》。

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，使得人類能對外來和內在的信息進行復雜的處理，并做出最佳的行為反應。”中國科學院院士、腦智中心學術主任蒲慕明介紹，比如人類能將一連串信息中的時間和空間順序及間隔進行編碼，并進一步存儲、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、運算和邏輯思維等高等智能。

“腦科學的終極目標就是要理解大腦的神經網絡如何產生這些高等智能。這些智能是在靈長類動物演化過程中逐漸涌現的，而且在獼猴等非人靈長類上已有苗頭。”蒲慕明表示。

人們對事件發生順序的記憶，就是時序記憶。對于時序信息的編碼、存儲、操作和使用則是眾多高級認知功能的基礎。人們日常生活中聽到的話語、看見的事物，都會以不同的“顆粒度”進行感知，接著進入工作記憶中短暫存儲，再根據目的進行加工處理。

為深入研究時序記憶的加工控制機制，王立平研究組近年來建立了一項基于空間位置序列的學習和記憶的獼猴研究范式，并在獼猴大腦獲取了大量神經元集群的相關電活動。

研究團隊訓練獼猴記下一段由連續在不同位置閃現的點所組成的空間序列（記憶期1），再根據隨后出現的規則提示對該序列進行排序（正向排序或者逆向排序），并在一定記憶時間（記憶期2）后進行匯報。在此過程中，研究人員對獼猴的額葉皮層神經元活動進行了記錄和分析。

解碼大腦短時程編碼機制

王立平團隊此前發表于《科學》的一項研究發現，前額葉神經元集群可以用它們放電的動態變化模式（動態空間的“子空間”）來編碼空間序列信息，在序列中的各個相對位置都有其獨立的動態子空間。

在前期研究基礎上，團隊進一步探索發現，對空間序列記憶信息進行重新排序時，在記憶期1里不同次序的子空間中的位置信息會從原本的子空間中消失，而后在記憶期2中依據新的順序將原本的信息放入其對應次序的子空間中。就像兩個盒子分別裝著紅球和綠球，當排序發生后，紅綠球一起從自己的盒子中消失，而后又神奇地出現在了對方的盒子中。

在對不同子空間之間的信息進行交換時，每個子空間額外招募了一個臨時存儲信息的新的子空間。每個子空間先把原先內部的記憶信息傳遞給臨時子空間，等原本子空間中的記憶被清空之后，再將臨時子空間中的記憶信號傳遞給對方，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表征規則的子空間。研究團隊推測，該規則子空間可能控制了次序子空間與臨時子空間之間的信息流動，使得這些子空間在不同的排序規則下發生不同的動力學過程。

研究圖示。圖片由研究團隊提供

新的起點

“和許多原始創新的工作一樣，王立平實驗室的發現只是一個起點。”蒲慕明點評這項工作時指出，他們的工作清晰說明了3方面的內容。

首先，在單細胞層面觀測高級腦區大群神經元電活動隨時間的動態變化，是理解序列學習和工作記憶編碼模式的有效途徑。

其次，建立分析大群神經元活動的有效計算范式和創新性理論框架，是描述和理解大群神經元編碼規律的關鍵。

最后，從描述與認知事件相關的神經元編碼范式和規律，到理解在學習和工作記憶過程中感知覺信息如何建立神經元集群活動的編碼，以及如何提取編碼信息來驅動認知所引導的行為，未來仍有漫長而艱巨的工作。

“工作記憶機理是揭示生物智能奧秘的重要突破口。”北京大學計算機學院教授、北京智源人工智能研究院理事長黃鐵軍指出：“與生物神經網絡相比，包括大模型在內的人工神經網絡的動力學特性相對簡單，這一新發現有望促進大模型可解釋性研究，并啟發大模型新架構的探索。”

王立平團隊在總結中表示，作為多種智能活動的基本運算之一，工作記憶的排序機制不僅僅運用于日常生活中的語言理解、項目規劃等方面，還可以推廣到因果推斷、邏輯推理等復雜認知活動中，這為進一步揭示高級認知功能的神經機制提供了基礎。此外，大腦與計算機運算機制有著驚人的相似之初（如用于信息交換的臨時子空間和操作過程），對大腦認知機制的深入研究或有助于推動類腦計算模塊向更加智能化、高效化發展。團隊同時表示，臨時子空間的發現為明確意識的操作定義、揭示意識的生物學基礎提供了新的見解。

相關論文信息：http://doi.org/10.1126/science.adp6091