▎药明康德内容团队编辑
当你尝试记住一组手机号码时，你需要同时完成对两类信息的记忆：11个数字（即事件）以及它们的序列。这时，你就在完成一项序列记忆。序列记忆是大脑的一项基本认知功能，但大脑如何存储序列记忆还是一个未解之谜。在一项发表于《科学》的最新研究中，北京大学生命科学学院唐世明课题组与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王立平研究组、上海脑科学与类脑研究中心闵斌研究员合作，在猕猴体内揭开了神经元存储序列记忆的编码机制。对于序列记忆的编码方式，此前有着不同的猜想。而在体双光子钙成像技术的出现，使得研究人员能够实时监测神经元中钙离子的流动情况，从而追踪神经元动作电位，并且从特定神经元的活动模式中揭示，大脑究竟是如何存储序列记忆的。在最新研究中，研究团队利用在体双光子钙成像技术，记录了猕猴外侧前额叶皮层（负责工作记忆的区域）上数千个神经元的活动。他们首先训练猕猴完成一项序列记忆任务：实验开始时，猕猴盯着屏幕中心，这时屏幕上会依次快速闪现三个不同的光点（这些点都位于一个正六边形的顶点上）。而猕猴要做的是记住这三个光点的位置和序列，并且在几秒钟之后，通过眼睛的移动按顺序报告结果。而中间的这几秒钟，就是猕猴大脑存储序列记忆的阶段，在此期间的神经元活动就反映了存储记忆的方式。
▲大脑序列记忆的神经编码机制：A, 猕猴记忆光点位置序列；B-D, 双光子成像监测前额叶皮层群体神经元活动（图片来源：参考资料[1]）
根据现有理论，研究团队猜想，猕猴在大脑中也形成了一个“屏幕”。猕猴看到的事件，也就是点的位置就储存在这个“屏幕”上。但问题是，猕猴依次看到了3个点，那么它的大脑是如何同时储存这3个点的位置与序列的？钙成像结果显示，每个事件的信息存储在一个二维的子空间中，也就是一块对应的“屏幕”。每个子空间中，各个点所处的位置都与猕猴看到的六边形结构相对应。这些子空间彼此接近正交。也就是说，参与这项实验的猕猴先后看到了3个事件，那么在序列记忆阶段，它的外侧前额叶皮层上也有3块“屏幕”与事件一一对应。它们互不干扰，依次存储着3个事件的信息。而借助机器学习的解码分析显示，这些“屏幕”对于不同类型的空间序列是通用的。有趣的是，研究团队还注意到，最早出现的事件所对应的“屏幕”更大，随着序列的增加，“屏幕”逐渐变小，出错的可能性也越高。一个可能的解释是，次序靠后的信息所分配到的资源更少，导致对应的“屏幕”变小、区分度降低。对此，我们也有直观感受：当我们记忆一连串信息时，越靠后的信息也越容易出错。▲序列记忆中的神经群体编码与解码（图片来源：参考资料[1]）
由此，这项研究揭示了大脑神经元群存储序列记忆的简单编码规则，也为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新的思路。对于将来的神经科学与人工智能研究，这一发现都将起到重要作用。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究组博士后谢洋和研究助理胡沛烑为论文共同第一作者，北京大学生命科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究、北大-清华生命科学联合中心唐世明研究员、上海脑科学与类脑研究中心闵斌研究员、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平为共同通讯作者。该研究项目得到了国家自然科学基金项目、北大-清华生命科学联合中心的资助。参考资料：
[1] Yang Xie et al, Geometry of sequence working memory in macaque prefrontal cortex, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abm0204
[2] 《科学》发表中科院脑智卓越中心成果揭示序列工作记忆在猕猴大脑中表征的几何结构. Retrieved Feb 10th, 2022 from http://www.cebsit.cas.cn/xwen/kyjz/2022n/202202/t20220210_6354185.html
[3] 唐世明课题组在《Science》合作发文揭示大脑序列记忆的编码机制. Retrieved Feb 10th, 2022 from https://mgv.pku.edu.cn/kxyj/kxjz/359887.htm
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