北京冬奥会上，我国17岁小将苏翊鸣在坡面障碍技术赛上“翊鸣惊人”，谷爱凌在自由式滑雪女子大跳台决赛中成功挑战超高难度动作1620，技惊四座。在那当下，他们大脑中闪现的是怎样一串信息，使他们能够这么行云流水般地完成一连串高难度动作？
答案也许就隐藏在“时序”中。
01 时序无处不在
我们平常唱一首歌、听一段音乐、跳一段舞蹈，都需要大脑按照时间顺序将一个个信息元素存储下来，在需要的时候再加以读取、加工。而我们每天需要处理的信息量如此巨大，大脑是怎样对序列记忆进行高效处理的？如果能够破解这个巨大的谜团，可能会极大程度推动对人类认知的理解，以及人工智能的发展。
时序是认知活动的一个核心维度。时序信息的表征和处理是记忆、语言等重要认知活动的基础，在我们的生活中无处不在。举一个简单的例子，我们需要在问路时记住指路人给出的“向前走”“再往左拐”等一系列方向指引，如果记错了顺序，则无法准确到达目的地；又如学习一段新的舞蹈，我们也必须记住老师演示的一连串动作；此外，背诵一段文章、唱一首歌曲，哪怕是我们说的每一句话，都包含了时间序列的信息。拓展而言，中国农历的24个节气也是华夏先祖对大自然序列信息的记忆结晶。
02 和猕猴玩时序记忆游戏
猕猴是演化上最接近人类的模式动物，其认知能力、大脑结构与功能比其他模式动物更接近人类，是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型。因此，研究人员选用猕猴作为实验对象。
为破解大脑时序记忆编码的奥秘，笔者所在的研究团队设计了一个“最简单的时序记忆游戏”。研究人员在猕猴面前放置一块屏幕，实验中，在屏幕的不同位置会依次闪现三个不同的点，猕猴需要在几秒钟后将这些点按照之前呈现的顺序，通过眼睛注视点依序移动扫描的方式汇报出来。汇报前的几秒，就是大脑对空间位置序列工作记忆保持期。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。这种技术只需在猴子大脑上安装一个透明的记录窗口，便可实现在窗口范围内自由选择记录的区域，一次可以同时记录到该区域中几百个神经元的钙信号活动。钙信号可以反映神经元的脉冲放电活动，而序列信息表征的关键，就在记忆期神经元群体的活动模式中。团队发现，大量神经元在不同次序的记忆过程中会扮演完全不同的角色。一直以来，经典序列工作记忆模型假设“单个神经元是计算的基本单元，在不同次序扮演相似的角色”。这项研究推翻了这种假设——研究大脑序列记忆的“编码”，应更加关注整体神经元水平，而不是单个神经元层面。
图1：猕猴空间序列记忆任务
03 神经元“抱群”，信息降维存入
从研究单个神经元到研究神经元“群像”，是思路上的一个飞跃。这就像我们观察单个铁屑可能并不能看出什么异样，但观察某个区域的一堆铁屑，却可能从它们的排列趋势看出影响它们的磁场形状。
通过分析钙成像获得的高维数据，研究人员发现，经过猕猴大脑的编码，序列信息被存储在了前额叶的神经元群体中，最终整合成了三个独立的二维平面。在神经元群体活动的高维状态空间中，他们可以找到对应不同时间次序的低维子空间。这些子空间就像一个个抽屉，可以存放不同的信息。这个实验中，屏幕上第一个点、第二个点、第三个点的空间位置，分别被存放在了三个子空间里的二维平面上（即大脑中的“屏幕”）。在“屏幕”上的点所属的位置，与真实屏幕上的环状结构是相对应的！
图2：序列记忆在神经高维向量空间的表征
中科院院士、著名神经科学家和生物物理学家郭爱克在为此撰写的同行评价中这样写道：“这个发现揭示了序列信息编码利用了降维原则，从而降低了神经计算复杂性”“这使我想起了哲学家叔本华所说，‘简约性永远是真理和天才的共同特征’。”
有趣的是，尽管这三个“屏幕”上的环相似，却依次变小。一个可能的解释是，次序靠后的信息所分配到的注意资源更少，导致对应的信息区分度降低。另外，第二和第三个“屏幕”之间会有略微的重叠，这对应了猴子有时会把后面两个点的顺序搞反。而且这与人们“先入为主”的记忆经验也比较符合，我们总是对最先听到、看到的内容印象比较深刻，后面的就容易记混或记错。研究人员进一步用机器学习的方法对数据进行了解码分析，发现用于存储不同次序信息的子空间是稳定而通用的。比如，用第一天的数据训练的解码器可以在第四天的数据上依旧获得较好的解码效果——这意味着同一群神经元在不同天做着相同的事情。同时，不同长度序列的数据集所训练的解码器也是通用的，也就是说不管是做长度为2还是3的序列，猴子都用到了相同的‘屏幕’来储存前两个信息。
作为一项基础研究，这项工作在对大脑高级认知功能的揭示上仅仅迈出了第一步。它勾起了人们心中更多的“为什么”。比如，人的记忆空间是固定的，还是可拓展的，它为何有容量限制？大脑中这根“时间轴”如何产生的？人对记忆的推理是否也来自大脑某种高级“算法”？这些谜题都有待更多科学研究的发现。
作者简介
胡沛烑 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
谢 洋 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
闵 斌 上海脑科学与类脑研究中心
王立平 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
特别鸣谢：
中国细胞生物学学会神经细胞生物学分会进行科普审稿
原标题：《【科学普及】时间顺序是如何在大脑记忆的？》
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