【屏幕|大脑序列信息编码的“降维”策略】■采访人员 陆琦 张双虎 ■黄辛
人类大脑诸多认知活动都与时序信息有关 。比如问路时 ， 需要记住指路人给出的一系列指引；学习新的舞蹈动作时 ， 要记住老师演示的一连串动作；唱一首歌或弹奏一段音乐不能倒着进行 。在这些情况下 ， 不仅单个内容需要被记住 ， 它们之间的顺序也不能混淆 。
无论语言沟通、执行动作还是情景记忆 ， 本质上都涉及大脑对时序信息的表征（信息在头脑中的呈现方式） 。序列信息编码被认为是人类语言句法结构的前提 ， 对机器学习领域产生重大影响 ， 但其编码机制人们却知之甚少 。
2月11日 ， 《科学》发表中科院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）研究员王立平团队、上海脑科学与类脑研究中心副研究员闵斌和北京大学生命科学学院教授唐世明课题组的合作研究成果 。研究人员发现神经元以群体编码形式表征了序列中的空间位置 ， 并在这些表征中发现了类似的环状几何结构 。该研究推翻了经典序列工作记忆模型的关键假设 ， 为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新见解 。
时序信息编码谜题
“北京冬奥会上 ， 17岁小将苏翊鸣在坡面障碍技术赛场行云流水般的完美表现 ， 就是时序信息和空间信息的完美融合 。”中科院院士、神经科学和生物物理学家郭爱克说 ， “在更大的时空尺度上 ， 可以说中国农历的二十四节气也是大自然对序列信息的记忆 。”
19世纪初 ， 认知心理学家就开始思考序列信息的编码方式 。序列信息编码也被认为是人类语言句法结构的前提 ， 机器学习领域对序列翻译的探索催生了Transformer模型 。但对具有时序信息记忆的大脑神经编码机制人们一直未搞清楚 。
“猕猴是演化上最接近人类的模式动物 ， 其认知能力、大脑结构与功能更接近人类 ， 是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型 。”王立平对《中国科学报》说 ， “因此 ， 我们从猕猴入手 ， 训练它记忆由多个位置点组成的空间序列 ， 从而探究时序记忆编码问题 。”
实验中 ， 猕猴面前的屏幕上会依次闪现3个不同的点 ， 猕猴需要在几秒钟后 ， 将这些点按之前呈现的顺序“汇报” 。在“汇报”前的几秒记忆保持期内 ， 空间序列的信息便以工作记忆的形式被暂时储存在大脑中 。为了记录大脑神经元群体在猕猴进行任务时的活动状态 ， 研究人员对工作记忆的大本营——外侧前额叶皮层进行了双光子钙信号成像 。“钙信号可反映神经元的脉冲放电活动 ， 序列信息表征的关键就在记忆期神经元群体的电活动模式之中 。”王立平说 。
找到大脑中的“屏幕”
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 。但如果3个点同时在记忆保持期内显示在这块“屏幕”上 ， 每个点的次序又该如何体现呢？猕猴的大脑里是否会同时存在3块不同的“屏幕” ， 这样每个“屏幕”只需要记下一个点的信息 ， 而且不会互相干扰 。
带着这些疑问 ， 研究人员分析了钙成像获得的高维数据 ， 发现可以在高维向量空间里面找到每个次序的信息所对应的二维子空间 ， 即找到其对应的“屏幕” 。
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