感知和记忆相结合，形成了人们的认知。既往研究表示，人类的短期记忆并不会进入前额叶皮层等高级认知区域，而是更多进入表征经验的感知区域。
简单来说，人类大脑将短期记忆和经验感知放进了同一个文件夹。然而问题来了，大脑是如何正确区分感知和短期记忆，以避免将当下的感觉和过往混为一谈的呢？
近期发表在 Nature Neuroscience 上的一篇论文《旋转机制可防止感知与记忆表征之间的干扰》（Rotational dynamics reduce interference between sensory and memory representations）对这一问题进行了解释。
来自普林斯顿大学的神经科学家蒂莫西・布希曼（Timothy Buschman）和他的学生亚历山大・利比（Alexandra Libby）研究了老鼠听觉皮层中的神经元，发现神经集群是在两个正交的维度中分别表征感知和记忆的。
在这种 “正交” 分布中，感知和记忆能够互不干扰。而大脑可通过 “旋转” 感知，将其储存为 “记忆”。
研究人员对 7 只老鼠进行了连续 4 天的实验，每只老鼠每天都要听 1500 个和弦序列。当小鼠听到一个初始和弦与另一个和弦时，大脑会下意识地预测接下来的和弦，研究人员使用分类器来测试和记录这一过程的神经元反应情况，最终捕捉到 522 个神经元反应。
该团队还设计了一组和弦序列，每组序列由 4 个和弦组成，前两个和弦作为提示和帮助小鼠的学习与记忆的固定和弦 A、B 以及对照组的 X、Y，第四个和弦始终为 D，这样做的目的是希望通过改变第三个和弦来观察小鼠的反应和预测情况。
在试验中，68% 的情况会在播放完 AB 和弦后播放 C 和弦，在 XY 和弦后播放 C' 和弦。20% 的情况将和弦对调，即在 AB 和弦后播放 C' 和弦，在 XY 和弦后播放 C 和弦，剩下 12% 则是随机模糊的情况。
最终观察发现，随着时间的推移，关联和弦的神经表征开始逐渐相似。不过也观察到，当听到不熟悉的和弦序列时，小鼠的神经元会反向修改原先对其输入的表征，使之与之后的编码相匹配，即使之后听到的和弦可能是错误的。
为了进一步研究大脑是如何辨别感知与记忆的，研究人员设计了另一个分类器。
通常情况下，当小鼠听到一个意料之外的和弦时，它的大脑会唤起记忆中的和弦序列并与之比较，研究人员通过新的分类器来观察这一过程中小鼠神经元的活动。
在新的分类器中，观察到了完整的神经活动，记忆编码和感官表征都在同一神经集群中进行编码，但二者是在 “正交” 维度中组织起来的，当听到新的和弦序列时，小鼠的神经元并非直接去 “修正” 既有记忆。
布希曼将这一过程比喻为在纸上写字，当你发现纸上的空间不够用时，只需要将纸旋转 90 度，页面边缘的空白处便可以再次利用起来。
“这基本上就是大脑在做的事情。获得一个感知时大脑会将其记录在纸上，将纸旋转 90 度后，大脑便可以继续书写新的感知，而不会干扰到原有的文字。” 布希曼说道。
换句话说，感知编码通过改变神经元放电模式转变为记忆。加州大学圣地亚哥分校的认知神经科学家阿纳斯塔西娅・永永（Anastasia Kiyonaga）表示：“为了保护信息，信息发生了变化。”
此前在其他研究中，科学家们也发现了这种通过 “正交” 分布来分离和保护大脑中的信息的模式。
比如，当猴子在为运动做 “思想准备” 工作时，运动皮层中的神经活动已经 “启动”，但为了避免大脑将这种 “预备” 信息错误地传递给肌肉，这些神经编码同样是正交分布的。
现在我们知道了大脑是通过 “正交” 来分类归档感知和记忆的，但大脑是如何将当下的感觉进一步转换为记忆的呢？布希曼和利比想要回答这一问题。
利比说：“在实验的一开始，我从未想过这种事情是会这样随着神经激发活动而发生的。” 她想探究神经网络是如何创造出这种” 正交性” 的。
通过实验，他们认为听觉皮层神经元处理感觉和记忆的并非是不同区域，而是同一神经元集群。
然后他们又发现，可以将神经元的活动可以分为两类：一类是在表征感觉和记忆时表现较为 “稳定” 的 “稳定” 神经元，另一类 “转换” 神经元则在活动时翻转其反应模式。
令人惊讶的是，稳定神经元和转换神经元相结合，产生了足以将感觉信息转化为记忆的力量。“这就是全部魔力” 布希曼说。
图 | 大脑中的“旋转机制”（来源：Nature Neuroscience）
布希曼和利比使用计算建模的方法，证明了这种稳定和反转的组合是构建感觉与记忆正交分布的最有效方法，与其他方法相比它耗费的神经元和能量更少。
布希曼和利比的发现推动了神经科学的新兴趋势，也就是即使在较低的感觉区域中，神经元集群所进行的动态编码也比以往人们想象的要丰富。
萨塞克斯大学的神经科学家米格尔・马拉瓦（Miguel Maravall）说：“这些处在皮层食物链低端的部分实际上有着非常有趣的活动，也许到今天我们还没能真正欣赏到这些活动。”
这项研究还可以试图回答另一个正在争议一问题：短期记忆究竟是由恒定持久的神经代码来表征的，还是由随时间变化的动态神经代码来表征的？
布希曼认为：“我们的结果表明，从根本上来说，这两种看法都是正确的。”“稳定的神经元证明了第一种观点，而转换神经元则代表了第二种观点，二者的结合使得神经元编码能够有效区分感知与记忆，并使得正交的转换成为可能。”
布希曼和利比还期望在其他大脑活动中发现这种正交旋转机制，比如大脑是如何立即跟踪多个想法或目标的；再比如如何在处理干扰的同时完成任务；以及如何控制认知包括控制注意力等。
利比还希望将他们的研究应用到人工智能当中，尤其是能够同时处理多项任务的 AI 网络。她说：“我想看看人类的大脑中是否预先就在神经网络中划分出了稳定和转换两种功能。” 总而言之，“弄清楚这种信息编码非常重要，而且非常有趣，” 马拉瓦说。
-End-
参考：
https://www.nature.com/articles/s41593-021-00821-9
https://www.quantamagazine.org/the-brain-rotates-memories-to-save-them-from-new-sensations-20210415/#:~:text=Research%20in%20mice%20shows%20that,not%20interfere%20with%20one%20another.
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