追问｜在记忆和思考的时候，大脑在做什么？

·“推理、数学计算、使用符号等复杂的高级认知功能。，可以在大脑中探索工作原理。只要我们找到正确的方法来分解和组合问题，我们就可以尝试回答更抽象的问题，比如关于概念的问题。”

·除了生物学知识，与数学、物理、信息和心理学等学科的普遍合作越来越重要，以表征和分析像大脑这样复杂的生物系统。

生活中，我们一直在记忆、排序、灵活调用各种信息，比如打牌时思考打牌顺序、旅行时规划路线、分配工作内容等等。

排序是如此频繁和自然，以至于人们通常没有意识到这些任务有多复杂。如果用计算机完成这个排序任务，需要编码、存储、计算比较、调用信息等一系列繁琐的步骤。通过硬件和算法的配合。那么大脑是如何完成这个功能的呢？

与电脑的硬件结构不同，大脑是由数亿次神经元细胞组成的庞大网络。虽然每个人都知道它的各种认知功能，但是他们对它的底层逻辑知之甚少，就像一个“黑盒子”。最近，一项研究通过对猕猴进行心理排序后神经元活动的记录和分析，揭示了大脑的记忆方法。该研究名为《猕猴额叶皮层对空间序列信息的工作记忆编程》，于2024年9月27日在《科学》中发表。（Science）在杂志上，作者是来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(以下简称“脑智卓越中心”)的王立平团队。

在这项研究中，两只猕猴被训练执行延迟序列排序任务。他们需要记住不同序列位置出现在屏幕上的圆点图案，然后在系统提示下对序列进行正反排序，最后通过触摸屏报告结果。研究人员将微驱动电极阵植入猕猴的前额叶皮层，记录数千个神经元的电活动，并描述结果，分析其表现方法。

这项研究表明，在对任务进行排序时，每个顺序的信息都保存在一个“子空间”中，这个信息反映了神经元的不同整体状态。当面对需要交换顺序的认知任务时，子空间中的顺序信息将通过形成临时子空间来交换和存储和转移信息。另外，当猕猴被要求以不同的顺序或倒序规则调用顺序信息时，存在一个存储规则的子空间来控制信息的流向。

这项研究加深了人们对大脑工作记忆底层逻辑的认识。通过这些空间模式，研究人员甚至可以推断猕猴看到的内容和排序结果就像“读心术”一样。

猕猴的排序能力和人类有什么区别？如何理解这些“子空间”所代表的大脑规律？如何研究更复杂的认知现象，如“概念”？为了回答这些问题，本报科技近日采访了该探索的第一作者、脑智卓越中心博士生田拯赫、通信作者、脑智卓越中心研究员王立平。

从功能到底：打开工作记忆的“黑盒子”

在神经认知科学中，在头脑中对事物的排序被视为工作记忆。（working memory）与长期记忆不同，工作记忆主要包括维持和操纵短期记忆，以应对即时需要面对的认知场景。

很多理论都是从一些直观的经验中产生的，然后不断地去修正。”王立平说，“长时间和短时间的记忆各自都挺直观的——有些事情可以记得很久，有些事情很快就会忘记。后来大家又发现，记忆在脑海中是经过‘操纵’的，例如被‘压缩’：很多记忆缺少细节，只留下印象。但是在短期记忆中，这种操纵体现在通过将有限容量的记忆结合起来来解决当前的问题。假如只有‘记忆’没有‘工作’，那就什么也做不了。”

王立平说，工作记忆中操纵的部分涉及推理等认知过程，比较复杂，相关研究也比较少。这项研究是为了填补这方面的空白。

无论是记忆的储存还是操作，都需要找到相应的过程来验证大脑的物理，形成完整的解释。从结构和形态来看，大脑大致分为四个部分:额叶、顶叶、颞叶和枕叶。过去的研究发现，前额叶皮层中的神经元在工作记忆任务中表现出长期的活动，影响大脑其他区域的信号可以从上到下传递。

然而，在细胞方面，大脑通过电流等信号递质与上亿次(人类860亿次)不同类型的神经元细胞通过突触连接而成的复杂网络交流。从这个角度来看，大脑并不像电脑那样以明确的功能模块化方式运行，而是一个大规模的并行网络:同一个神经元可能会广泛参与不同的认知活动。

随着技术的发展，科学家们可以同时监测更多单个神经元的活动，从底部恢复大脑的运行状态。在这项研究中，研究人员在工作记忆任务中测量了猕猴前额叶皮质中4191个神经元的活动，同时使用了157通道微电极阵型。

有了监测神经元活动的技术手段，研究人员还需要通过适当的实验设计来确保测量和分析数据，从而形成有力的解释。王立平认为，虽然工作记忆涉及到复杂的认知功能，但它也可以转化为一个清晰而简单的过程来解释。

“真正的智力是抽象的。然而，推理、数学、使用符号等复杂的高级认知功能可以在大脑中探索。只要我们找到正确的方法来分解和组合问题，我们就可以尝试回答更抽象的问题，比如关于概念的问题。”他说。

这项研究通过一个巧妙的实验将心理排名转化为三个阶段。在第一阶段，猕猴需要记住屏幕上2到3个按顺序闪烁的点。经过短时间的延迟(500到700ms)，猕猴在第二阶段会看到一张图片。如果你看到黄瓜，这意味着你需要按顺序报告。如果你看到苹果，你需要反过来报告顺序。

通过这种方式，猕猴将顺序的记忆储存在大脑中，并对这些记忆进行正反操作。同样，在短暂的延迟之后，在最后阶段，它会被开始报告的照片提醒(一个蓝点)，然后通过触摸屏选择结果。

经过长期的训练，研究使用的猕猴可以专注于任务，理解图片指令的含义。田拯赫告诉《ThePaper》，记忆排序甚至符号被许多动物掌握，而不是人类特有的“高级”活动。从这个意义上说，猕猴实验可以成为探索人脑规律的重要依据。

表示大脑：描述神经网络的运行模式

在对猕猴在排序任务中的神经元活动进行测量后，下一步就是对这些数据进行分析，看看大脑在这一过程中到底在做什么。

面对记忆和排序任务后，猕猴脑中的神经元同时活动，每个神经元的放电强度有高有低，构成大脑的不同状态。王立平说，这就像一个交响乐团。虽然他在演奏一首歌，但不同的成员在演奏不同的旋律、节奏和强度。通过将成员个人归类为“弦乐组”，例如、管乐组，可以“以管窥豹”，探索整首歌的方式。

首先，研究人员应该在任务的刺激神经元状态之间取得联系。“可以理解为建立单个神经元状态(因变量y)和顺序信息(自变量x)之间的关系方程，其中神经元状态随猕猴面临的顺序信息而变化。我们测量了4000多个神经元，有4000多个这样的方程。”田拯赫说，他本科学凝聚物理，数学思维很强。

“每组方程的解决方案代表某个神经元对每个顺序和定位信息的响应大小，所以4000组解决方案是所有神经元对这些位置的人的响应。”他说:“让我们找到这些人最显著的反应方向或方法。”

从向量的角度来看，这些神经元在某个时刻的整体状态是4000多维空间中的一个点。面对不同的任务和不同的时间，代表这些状态的点在这个高维空间中形成了几何结构。通过分析主要成分（PCA）等待数学方法，研究团队可以区分具有整体特征和能够反映特定任务数据的“子空间”。

田拯赫解释说，从数学上讲，子空间代表了面对特定任务时，4000多个方程中哪些更为明显。对应大脑，子空间代表这些神经元的所有特定组合，其中每个神经元都起到了一定的作用。

因为子空间反映了一种特定的方式，所以可以理解为大脑储存的信息被“记录”在这些空间中。研究小组发现，屏幕上多个圆点的信息存储在不同的子空间中。当猕猴不需要对圆点进行排序时，这些信息会随着时间的推移保持稳定。

当猕猴看到苹果图片需要重新排序时，每个原始子空间都会增加一个临时的新子空间，首先将原始内部的记忆信息传递给其中，然后在自己的信息被清空后，将临时子空间中的记忆信号传递给需要交换的空间。

“就像换杯子里的水一样。我们通常在两个杯子里交换水，只需拿一个新杯子。对于大脑来说，它会拿出两个新杯子来交换。”田拯赫说。

研究还发现，有一个子空间与正序或倒序规则相关，而不是记录具体的顺序信息。在不同的规则下，这个子空间的状态会随着时间呈现出不同的发展轨迹。研究小组推断，这个子空间控制了顺序子空间和临时子空间之间的信息流，可以启动与门控交换的过程。

田拯赫解释说，如果用换杯水的比喻，那么这个子空间就像一个拿着水的服务员。左边的客户需要换杯水，右边的客户不需要。当左边的客户和他打招呼时，他会走到那里，拿出两个新杯子。当右边的客户打招呼时，他会直接端上两杯水。

田拯赫说：“当然，这里的水，水杯，服务员，交换动作，都是大脑的不同状态，就像一张脸的不同侧面。

伴随着技术手段的提高，科学家可以获得越来越多的生物数据，并且越来越底层。除了生物学知识，与数学、计算机、物理、化学等学科普遍合作的重要性日益凸显，以表征和分析像大脑这样复杂的生物系统。王立平提到，他的研究小组招收了许多来自其他专业的博士生。人们从不同的角度进行思想碰撞，带来了许多新的基本思路。

他说：“在许多领域，导师不一定比学生懂得多，要互相学习和交流。

田拯赫作为这次探索的第一作者，认为研究小组中相互合作、开放讨论的氛围对于进行突破性研究至关重要。“自由表达和尝试自己的观点非常重要。”

(澎湃新闻见习生黄煜博也为本文做出了贡献)

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