大脑安排概念和记忆就像空间一样

  作者:   浏览: [ 264 ] 次

大脑安排概念和记忆就像空间一样

Jordana Cepelewicz

译|Mumu Dylan 

  人类总是在精神世界和物质世界之间经历着一种奇异又深刻的联繫,尤其在记忆方面。我们擅长记住地标和场景,如果我们把记忆放在一个语境或情境中,重现记忆就会变得更容易。为了记住长时间的演讲,古希腊和古罗马演说家会想像自己漫游在「记忆宫殿」里,现代记忆大赛的冠军仍使用这种方法来「放置」长串的数字、名字和其他资讯。

  大脑海马状的结构「海马迴」对记忆和定位功能至关重要,研究证据表明,相同的编码模式(基于网格的表现形式)可能是这两种功能的基础。最近的研究发现促使科学家提出,这种编码模式或许能帮助我们找到其他类型的资讯,包括视觉、声音和抽象概念。更激进的科学家则大胆提出,这些网格编码可能是理解大脑如何处理一般知识、知觉和记忆等所有细节的关键。

  1953年9月1日,27岁的亨利‧莫莱森(Henry Molaison)为了治疗癫痫进行了一次冒险的实验性手术。神经外科医生从他大脑深处移除了海马迴及其周围组织,虽然这样能缓解癫痫症状,却意外造成他的记忆永久缺失。半个多世纪后亨利‧莫莱森去世,但在这半个多世纪的时间里,他都无法对新记忆进行编码(产生新的记忆),无论是早餐吃什幺、最近的新闻头条,还是几分钟前刚认识的陌生人,他通通都记不住。

  莫莱森的悲剧彻底改变了科学家对于海马迴在大脑组织记忆过程的理解。多年后,另一场以海马迴为主的革命发生,并为其研究先驱赢得了诺贝尔奖:这得益于两种细胞的发现,科学家相信大脑海马迴区域的基本功能不仅包括记忆,还包括空间定位和二维空间的表达。

大脑安排概念和记忆就像空间一样

  科学家于1971年发现第一种细胞:「定位细胞」,这种细胞能发出讯号指引一个人目前的位置。伦敦大学学院的神经学家约翰‧奥基夫(John O’Keefe)和同事监控笼子里自由活动的老鼠大脑活动,发现大脑中的不同神经元只有在老鼠到达笼子特定位置时才会启动,这些发现表明海马迴看起来具有寻找空间和认知地图线索的能力。

  挪威科技大学科学家梅-布里特‧莫泽(May-Britt Moser)和爱德华‧莫泽(Edvard Moser)则把研究重心转移至海马迴旁边的内嗅皮层。这个区域是海马迴重要的讯息来源,也是阿兹海默症患者大脑最先恶化的区域之一。科学家在这里发现了所谓的「网格细胞」,并认为这里很可能是大脑负责绘製「认知地图」的区块。

  网格细胞跟定位细胞不同,它并不传达特定位置。相反地,它自己形成一个独立的座标系统,因此它通常被称为「大脑的GPS」。网格细胞网路构建出一种比定位细胞更深层的空间感。虽然定位细胞提供很好的定位方法,但它只能在具有外部空间地标和其他有意义的位置时才能提供空间资讯。当没有这些外部线索时,网格细胞则提供更厉害的定位方法。事实上,科学家认为网格细胞负责所谓的「路径整合」,例如一个矇住眼睛的人可以推测自己在空间里的相对位置——从某个起点走多远,以及往哪个方向走。

  类似的原理也指引大脑编码时间,海马迴包含的定位细胞在某些情况下表现得像「时间细胞」,它被启动来传达时间上的连续时刻(而不是空间上的连续位置)。例如实验鼠在特製的迷宫奔跑,其中一段迷宫老鼠必须在轮子或跑步机上原地跑几秒钟,然后才能继续前进。科学家发现,当老鼠原地奔跑时虽然没有离开实际位置,但海马迴内的细胞也会启动来追蹤牠们运动的时间过程。科学家表示,这个发现「把不同维度的时间也带进理论之中」。

大脑安排概念和记忆就像空间一样

  同样的原理也可以用来了解疾病和其他病理状态。研究老龄化的认知神经学家汤玛斯‧沃尔柏(Thomas Wolbers)在最近发表的论文中,研究了老年人空间导航的网格编码如何产生变化。他们发现,老年人的讯号稳定性比较差,网格会在不同方向之间波动,而网格不稳定的人在矇住眼睛被引导行走时,也更不善于推测自己的相对位置。沃尔伯认为,如果网格编码同时被用来处理多种资讯和记忆,那幺空间网格系统的退化可能也对记忆和其他认知领域的稳定性产生更广泛影响。

  还有研究者还提出更大胆的说法,人工智慧公司「Numenta」创办人杰夫‧霍金斯(Jeff Hawkins)假设:「大脑皮质不单只是处理感官输入,而是处理后将其应用于某个位置。」例如我们闭上眼睛用手握住一个不明物体(假设是咖啡杯),相对于杯子本身,大脑接收的是所有接触杯子表面位置的资讯,而每个表面位置都产生独立的模型,并描述你可能接触到的东西。然后,这些模型相互参照再得出结论:这个物体确实是咖啡杯。

  霍金斯认为同样的逻辑适用在任何具有结构框架的事物上,他说:「我们所做的一切:计划、数学、物理、语言都基于同样的原则。我认为我们身处在一个转折点上,我们很快会有新的範本来理解大脑的运作模式。」虽然霍金斯的假设引起许多科学家的兴趣,但他们仍怀疑在海马迴周围之外是否还能找到其他网格细胞,并认为霍金斯的团队要证明假设还有很长的路要走。

  不过,如果网格系统真的是通用框架,那科学家就能模仿它来构建更灵活、更有创意、更通用也更强大的机器。科学家目前正持续探索海马迴在各种不同环境下的活动,期望最终将其记忆与定位功能结合运用。

参考报导:Quanta