科学:王立平团队发现了脑序列信息编码的“降维”策略

来源：生物世界2022-02-14 08:32

无论是语言交流、动作执行还是情景记忆，本质上都涉及到大脑对时间信息的表征(信息在大脑中的呈现)。序列信息编码被认为是人类语言句法结构的前提，对机器学习领域有很大影响，但对其编码机制知之甚少。团队王丽萍，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)研究员；上海脑科学与类脑研究中心副研究员闵斌；和北京大学生命科学学院教授唐世明。

无论是语言交流、动作执行还是情景记忆，本质上都涉及到大脑对时间信息的表征(信息在大脑中的呈现)。序列信息编码被认为是人类语言句法结构的前提，对机器学习领域有很大影响，但对其编码机制知之甚少。

团队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)研究员王立平、上海脑科学与类脑研究中心副研究员闵斌、北京大学生命科学学院教授唐世明与团队合作，在国际顶级学术期刊《Science》上发表了题为《猕猴前额叶皮层序列工作记忆的几何学》的研究论文。

研究人员发现，神经元以分组编码的形式表示序列中的空间位置，并在这些表示中发现了类似的圆形几何结构。该研究推翻了经典顺序工作记忆模型的关键假设，为如何用神经网络表示符号这一难题提供了新的见解。

“在本届北京冬奥会上，17岁的苏益铭在斜坡障碍技术领域的完美表现，就是时间序列信息和空间信息的完美融合。”中国科学院院士、著名神经科学家、生物物理学家郭说：“在更大的时空尺度上，可以说中国农历二十四节气也是大自然对于序列信息的记忆。”

专家解释说，人脑的许多认知活动都与时间序列信息有关。比如问路时，需要记住引路人给出的一系列指示；学习新的舞蹈动作时，记住老师示范的一系列动作；你不能倒着唱一首歌或演奏一段音乐。在这些情况下，不仅需要记住单个内容，而且不能混淆它们之间的顺序。

19世纪初，认知心理学家开始思考序列信息的编码方法。序列信息编码也被认为是人类语言句法结构的前提，机器学习领域对序列翻译的探索催生了Transformer模型。然而，大脑神经与时间信息记忆的编码机制尚未被清楚地理解。

王丽萍说，猕猴是进化中最接近人类的模式动物，其认知能力、大脑结构和功能都更接近人类。它是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型。因此，我们从猕猴开始，训练它记忆由多个位置点组成的空间序列，从而探索顺序记忆编码的问题。

在实验中，猕猴面前的屏幕依次闪烁三个不同的点，猕猴需要在几秒钟后按照之前呈现的顺序“报告”这些点。在“报告”前几秒钟的记忆保持期内，空间序列的信息以工作记忆的形式暂时储存在大脑中。为了记录恒河猴任务过程中大脑神经元群的活动状态，研究人员对工作记忆的基础——的前额叶外侧皮质进行了双光子钙信号成像。“钙信号可以反映神经元的脉冲放电活动，序列信息表征的关键在于记忆期神经元群体的电活动模式。”王立平说。

找到大脑中的“屏幕”

在记忆期间，大脑如何同时代表序列中的多个信息？研究人员怀疑猕猴的大脑中也有一个“屏幕”，猕猴可以在上面记录自己看到的点。但如果在记忆保持期内，三个点同时显示在这个“屏幕”上，那么每个点的顺序应该如何体现呢？猕猴的大脑中会有三个不同的“屏幕”吗？这样每个“屏幕”只需要写下一个点的信息，不会互相干扰。

带着这些疑问，研究人员对钙成像获得的高维数据进行分析，发现在高维向量空间中可以找到每一阶信息对应的二维子空间，即可以找到对应的“屏幕”。

“在每个子空间中，不同点对应的空间位置与真实视觉刺激的环结构一致。此外，对应于不同顺序的子空间几乎彼此正交，这表明大脑确实使用了三个不同的“屏幕”来表示序列信息。”闵斌解释道。

为了进一步探索大脑是否总是用相同的“屏幕”记住不同类型的空间序列，研究人员使用机器学习方法训练线性分类器来区分不同顺序的空间信息。结果发现，用于编码顺序的“屏幕”是稳定和通用的。

研究人员还发现，不同阶的子空间共享相似的环结构，但环的半径会随着阶的增加而减小。

本文共同第一作者、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心博士后杨颉表示，一种可能的解释是，低阶信息被分配的注意力资源较少，导致对应的环较小，区分度较低。这种结构也对应顺序记忆的行为。例如，我们记住的内容越多，后面的信息就越容易出错。

有趣的是，空间信息几何结构在种群水平上受时间调制的编码特性并不完全适用于单个神经元水平。也就是说，顺序记忆的编码更应该关注群体神经元的性质，而不是个体神经元。(100yiyao.com)

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