科学家揭秘大脑靠“旋转”区分过去和现在，还给了个AI架构设计新思路 | Nature子刊

白交 2021-05-11 02:32:27 来源：量子位

杨净 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

过去和现在的边界，到底在哪里？

人类，又是如何在时间混沌中区分出过往与当下的？

注意，这不是一个哲学问题。（手动狗头）

而是科学家们的最新研究。

两个普林斯顿的神经学家，用几何的方式回答了这一问题。

他们发现，人的大脑是通过“旋转”的方式，来区分新的感官信息和早期记忆。

旋转个90度，让过去和现在互不干扰。

具体是如何实现的？

大脑如何感受时间？

一直以来，我们理解周围环境、学习、行动和思考的能力，都有赖于感官和记忆之间连续、灵活的互动。

一方面，我们必须通过感官吸收周围世界的新信息。与此同时，还要保持对早期现象、事件的短期记忆。

而要实现这一点，就需要大脑识别出感官和记忆的区别。

但以往的经验表明，大脑并没有将短期记忆功能，完整划分到高级认知区域。

相反的，更多是划分到表征经验的感知区域、以及其他皮质中枢。

最近，两位神经学家发表在Nature Neuroscience的研究，就揭示了大脑是如何同时处理两者。

一句话来说就是，大脑“旋转”感官信息，将其编码为记忆。

两个“正交”表征，同时从神经活动中提取信息，互不干扰。

要发现这事儿，科学家们将目光瞄准了小鼠的听觉感知。

他们让小鼠反复听四个和弦序列，从而建立和弦之间的关联。

当小鼠听到一个初始和弦与另一个和弦时，能预测接下来会有什么声音

这时候，科学家们训练ML分类器来分析小鼠在聆听过程中听觉皮层上的神经活动。

随着时间的推移，他们发现，关联和弦的神经表征开始彼此相似。

不过也观察到，当遇到不熟悉的和弦序列时，小鼠会改变它对先前输入的表征。

这些神经元对过去刺激的编码进行反向改变，使之与动物对后来刺激的编码相匹配。

那么大脑又是如何对抗这些干扰，来保存正确的记忆呢？

研究人员训练了另一个分类器来识别和区分过程中的记忆表征。

比如，当一个意外的和弦唤起与一个更熟悉的序列之间的比较时， 神经元的激活方式。

结果，分类器的确看到了完整的神经活动模式，并非直接去“修正”。

那些记忆编码看起来与感官表征有很大不同，他们是通过“正交”维度组织起来的。

研究者表示，这一过程就像是在纸上写笔记。

写着写着发现没有空间里，就要把纸张旋转90度，在另一侧页边空白处写字。

大概就像这样。

这基本上就是大脑正在做的事情。

它得到了第一个感觉输入，将它写在纸上然后旋转个90度。这样就可以写进新的感觉输入，而不会受到干扰和覆盖。

此外，他们排除了由不同的神经元独立处理感官和记忆表征的可能性。

他们发现，神经元的活动可以整齐地分为两类。

一类是负责感觉和记忆表征的“稳定”神经元，一类是活动时翻转其反应模式的“转换”神经元

感觉信息转化为记忆的过程中，”稳定 “神经元和 “切换 “神经元的组合促进了感觉信息的转化，前者随着时间的推移保持其选择性，后者随着时间的推移颠倒其选择性。

这些神经反应共同旋转了群体表征，将感觉输入转化为记忆。

事实证明，这样的方式需要的神经元和能量会更少。

这一研究来自普林斯顿大学的神经科学家Timothy Buschman 和他实验室的研究生 Alexandra Libby。

△Timothy Buschman

Libby表示，这一研究有助于会给神经网络架构提供新的设计思路，尤其是多任务处理的那种。

参考链接：
[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