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【為什麼我們要挑選這篇文章】大腦如何區分過去與現在?普林斯頓學者發現,大腦會將資訊「旋轉」,藉此感知時間的差異,而這個方式,給了人類設計 AI 架構新思路。(責任編輯:郭家宏)

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作者:量子位

過去和現在的邊界,到底在哪裡?

人類,又是如何在時間混沌中區分出過往與當下的?

注意,這不是一個哲學問題,而是科學家們的最新研究。兩個普林斯頓的神經學家,用幾何的方式回答了這一問題。他們發現,人的大腦是透過「旋轉」的方式,來區分新的感官資訊和早期記憶。旋轉個 90 度,讓過去和現在互不干擾。

具體是如何實現的?

大腦將感官資訊「旋轉」,藉此感知時間差異

一直以來,我們理解周圍環境、學習、行動和思考的能力,都有賴於感官和記憶之間連續、靈活的互動。

一方面,我們必須透過感官吸收周圍世界的新資訊。與此同時,還要保持對早期現象、事件的短期記憶。而要實現這一點,就需要大腦識別出感官和記憶的區別。

但以往的經驗表明,大腦並沒有將短期記憶功能完整劃分到高級認知區域。

相反的,更多是劃分到表徵經驗的感知區域、以及其他皮質中樞。

最近,兩位神經學家發表在 Nature Neuroscience 的研究,就揭示了大腦是如何同時處理兩者。

一句話來說就是,大腦「旋轉」感官資訊,將其編碼為記憶。

兩個「正交」表徵,同時從神經活動中提取資訊,互不干擾。

要發現這事兒,科學家們將目光瞄準了小鼠的聽覺感知。他們讓小鼠反覆聽四個和弦序列,從而建立和弦之間的關聯。當小鼠聽到一個初始和弦與另一個和弦時,能預測接下來會有什麼聲音。這時候,科學家們訓練 ML 分類器,來分析小鼠在聆聽過程中聽覺皮層上的神經活動。

隨著時間的推移,他們發現,關聯和弦的神經表徵開始彼此相似。

不過也觀察到,當遇到不熟悉的和弦序列時,小鼠會改變它對先前輸入的表徵。這些神經元對過去刺激的編碼進行反向改變,使之與動物對後來刺激的編碼相配對。

那麼大腦又是如何對抗這些干擾,來保存正確的記憶呢?

研究人員訓練了另一個分類器來識別和區分過程中的記憶表徵。比如,當一個意外的和弦喚起與一個更熟悉的序列之間的比較時, 神經元的啟動方式。

結果,分類器的確看到了完整的神經活動模式,並非直接去「修正」。

那些記憶編碼看起來與感官表徵有很大不同,他們是透過「正交」維度組織起來的。

大腦旋轉資訊,讓彼此不干擾

研究者表示,這一過程就像是在紙上寫筆記。寫著寫著發現沒有空間裡,就要把紙張旋轉 90 度,在另一側頁邊空白處寫字。

大概就像這樣。

這基本上就是大腦正在做的事情。

它得到了第一個感覺輸入,將它寫在紙上然後旋轉個 90 度。這樣就可以寫進新的感覺輸入,而不會受到干擾和覆蓋。

此外,他們排除了由不同的神經元獨立處理感官和記憶表徵的可能性。

他們發現,神經元的活動可以整齊地分為兩類,一類是負責感覺和記憶表徵的「穩定」神經元,一類是活動時翻轉其反應模式的「轉換」神經元。感覺資訊轉化為記憶的過程中,「穩定」神經元和「切換」神經元的組合促進了感覺資訊的轉化,前者隨著時間的推移保持其選擇性,後者隨著時間的推移顛倒其選擇性。這些神經反應共同旋轉了群體表徵,將感覺輸入轉化為記憶。

事實證明,這樣的方式需要的神經元和能量會更少。

這一研究來自普林斯頓大學的神經科學家 Timothy Buschman 和他實驗室的研究生 Alexandra Libby。

Timothy Buschman

Libby 表示,這一研究有助於會給神經網路架構提供新的設計思路,尤其是多任務處理的那種。

參考資料

Quanta Magazine》、《Princeton》、《Nature Neuroscience

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈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〉。首圖來源:flickr CC Licensed

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