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  • 【人民日報】中國科學家首揭秘獼猴大腦如何對“時序”編碼

    文章來源:腦科學與智能技術卓越創新中心  |  發布時間:2022-02-11  |  【打印】 【關閉

      
    作者:黃曉慧 2022-02-11 09:47 來源:人民日報

      歌不能倒著唱,電話號碼的數字順序不能混,舞蹈動作一招一式不能亂……生活中,人們經常碰到時序記憶的問題,大腦是如何把這些信息進行編碼,并依序存儲在幾秒的短時記憶中呢?

      早在19世紀初,認知心理學家們就開始思考序列信息的表征方式,序列信息編碼也被認為是人類語言句法結構的前提,機器學習領域對序列翻譯的探索更是催生了如今大顯身手的Transformer模型。但是,對于具有時序信息記憶的大腦神經編碼機制,人類仍知之甚少。

      2月11日,國際學術期刊《科學》以長文形式發表了題為《序列工作記憶在獼猴前額葉表征的幾何結構》的研究論文,解密了這一謎團。 

      該研究由中科院腦科學與智能技術卓越創新中心、中科院靈長類神經生物學重點實驗室王立平研究組,上海腦科學與類腦研究中心閔斌副研究員和北京大學生命科學學院唐世明課題組合作完成。在該研究中,科學家訓練獼猴記憶由多個空間位置組成的序列,并利用在體雙光子鈣成像技術記錄獼猴大腦前額葉皮層的神經元活動。研究人員發現神經元以群體編碼的形式表征了序列中的每一個空間位置,并在這些表征中發現了類似的環狀幾何結構。該研究為理解神經網絡如何進行符號表征這一難題提供了新的見解。

      “認知活動的一個核心維度是時序。時序信息的表征和操作是包括記憶、語言等重要認知活動的基礎。大腦如何編碼時序信息是極為重要的未解之謎?!敝锌圃涸菏?、認知科學和實驗心理學家陳霖如是評價該項成果。

     

      獼猴實驗,開啟時序記憶研究的新路徑 

      王立平課題組和唐世明課題組的京滬合作,緣自3年前,唐世明一次到訪中科院腦科學與智能技術卓越創新中心?!疤评蠋熓茄芯揩J猴認知科學領域的頂尖學者,能夠幫助我們在獼猴清醒的情形下獲取大腦神經元的實時數據,那次見面,我們只談了15分鐘,就確定下來要合作?!蓖趿⑵交貞浀?。

      獼猴是演化上最接近人類的模式動物,其認知能力、大腦的結構與功能相比于其他模式動物更接近人類,是研究時間序列等復雜高級認知功能的最佳模型。因此,為了探究時序記憶編碼問題,研究人員訓練獼猴記憶由多個位置點組成的空間序列(圖1)。

      在實驗中,獼猴面前的屏幕上會依次閃現三個不同的點,獼猴需要在幾秒鐘之后將這些點按之前呈現的順序匯報出來。在匯報前的幾秒記憶保持期內,空間序列的信息便以工作記憶的形式被暫時儲存在大腦中。為了記錄大腦神經元群體在獼猴進行任務時的活動狀態,研究人員對工作記憶的大本營——外側前額葉皮層進行了雙光子鈣信號成像。鈣信號可反映神經元的脈沖放電活動,而序列信息表征的關鍵就在記憶期神經元群體的活動模式之中。

      圖1:獼猴空間序列記憶任務

      大腦如何在記憶期內同時表征序列中多個信息呢?“我們猜想,獼猴的大腦中也有一塊‘屏幕’,它可以把出現過的點記在這個屏幕上”??扇绻齻€點同時在記憶保持期內顯示在了這個屏幕上,每個點的次序又該如何體現呢?獼猴的大腦里面是否會同時存在三塊不同的屏幕?這樣每個屏幕只需要記下一個點的信息,而且屏幕之間不會互相干擾。

      實驗證明了研究人員的猜想,他們分析了鈣成像獲得的高維數據,發現可以在高維向量空間里面找到每個次序的信息所對應的二維子空間(subspace),即找到其對應的“屏幕”(圖2)。在每個子空間內,不同的點所對應的空間位置與真實視覺刺激的環狀結構保持了一致。而且,不同次序所對應的子空間接近相互正交,說明大腦確實用到了三塊不同的屏幕來表征序列信息。

      為了進一步探究大腦是否總是用相同的這幾塊“屏幕”記憶不同類型的空間序列,研究人員對數據做了解碼分析,即運用機器學習方法訓練線性分類器來區分不同次序上的空間信息。比如,用獼猴正確應答時的神經元群體活動訓練解碼器,可以在部分做對的序列里面取得較好的解碼效果。這些結果提示了用于編碼次序的“屏幕”是穩定通用的。

      圖2:序列記憶在神經高維向量空間的表征

      研究人員還發現,不同次序的子空間之間共享了類似的環狀結構,只是環的半徑大小會隨次序的增加而減小。一個可能的解釋是,次序靠后的信息所分配到的注意資源更少,導致對應的環變小、區分度降低。這一結構也對應了序列記憶的行為表現,例如我們日常生活中如果記憶的內容越多,越往后的信息便更容易出錯。

      記憶是首協奏曲,神經元并非各自彈唱 

      閔斌介紹,該發現也可總結為群體水平的空間信息編碼幾何結構受時序調制的性質。有意思的是,這種性質并不完全適用于單個神經元水平,而單神經元活動的增強調制正是經典序列工作記憶模型的關鍵假設,提示了序列記憶的編碼應更加關注群體神經元性質。

      “在過往的研究中,單個神經元通常被視為專門處理序列中的某一類信息,就好比一個交響樂團演出時,樂手甲負責拉小提琴,樂手乙負責吹號,單個神經元的職能分工被視為一成不變的。但我們的研究發現,現實情況卻是,在演奏樂曲A時,樂手甲負責拉小提琴,在演奏樂曲B時,樂手甲被分派去負責吹號,在前額葉腦區的神經網絡中40%左右的神經元都或多或少參與了序列信息的處理工作,而且分工不是一成不變的?!蓖趿⑵浇忉?。

      該研究第一次在群體神經元水平闡釋了序列工作記憶的計算和編碼原理,也為神經網絡如何進行符號表征這一難題提供了新的思路。上世紀80年代,人工智能領域就有研究者提出張量乘積這一概念來實現神經網絡對符號結構的表征,但其如何在神經網絡層面自然涌現一直沒有被很好的解決。序列工作記憶的神經表征正好對應了將該符號表征由對應次序的子空間嵌入到高維向量空間中,同時支持了下游神經網絡對符號結構信息的線性讀取。

      王立平研究員、閔斌副研究員、研究助理胡沛烑、博士后謝洋討論課題

      中科院院士、神經科學和生物物理學家郭愛克評價認為,這篇論文的科學意義在于揭示了在工作記憶的時間尺度上,序列信息在大腦前額葉皮層的神經編碼和表征機制,其創新性在于以獼猴的序列學習為對象,設計了時間和空間信息兩個線索共存的實驗范式,采用了雙光子在體鈣成像技術,記錄了數千個大腦前額葉皮層神經元,發現了高維神經元狀態空間可以分解為多個二維子空間之和,從而揭示了序列信息的工作記憶在獼猴前額葉皮層表征的簡單幾何結構。這個發現揭示了序列信息編碼利用了降維原則,從而降低了神經計算復雜性。這是人類大腦在時間序列表征上的復雜性和簡約性的辨證統一。這使他想起了哲學家叔本華所說,“簡約性永遠是真理和天才的共同特征”。

      王立平研究員(右)與謝洋(左)討論實驗數據

      “令人高興的是,這個結果為70年前Karl.Lashley提出的理論假設‘序列信息是通過創造和維系神經活動來進行加工。為了控制序列動作,我們的大腦需要將其工作瞬間轉移到持續的神經活動模式上’提供了實驗數據支持。這就是科學魅力之所在!”郭愛克同時認為,這項研究成果將對受腦啟發的人工智能研究發生影響, 將強化學習的效率大大提高了。

      神經生物學家王以政院士表示,王立平研究員與他的合作者們,通過這一原創發現清楚地闡釋了序列工作記憶的神經機制,也為理解神經網絡如何進行符號表征這一難題提供了新的思路。(文中視頻及圖片均由中科院腦科學與智能技術卓越創新中心提供)

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