大脑把记忆存在哪了? 原理简单

2017-04-02 | 来源: 新浪科技 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

　　概念编码

　　要理解为数不多的神经元与一个特定概念（如珍妮弗·安妮斯顿）之间如何关联，首先需要了解一个复杂过程：在日常生活中，我们的大脑如何获取和存储大量的人和事物的图像信息。眼睛看到的信息首先通过眼球后的视神经，传入位于后脑的初级视皮层（primary visual cortex）。这里的神经元对图像的某些微小细节放电。每一个神经元就像数字图像的像素点，或者画家乔治·修拉（Georges Seurat）的点彩画中的一个彩色点。

　　单个神经元并不能告诉我们，它所接收的细节对应的是一张脸、一杯茶，还是埃菲尔铁塔，或者其他什么图像。但是，每一个神经元的信息都是整体图像的一部分，它们组合起来就会产生一幅美丽的图像，例如《大碗岛的星期日下午》（A Sunday Afternoon On the Island of LaGrande Jatte，乔治·修拉的代表画作）。如果图像稍有变化，图像的某些细节也会改变，此时，初级视皮层上神经元群的放电也会相应地改变。

　　大脑需要对感觉信息进行加工，以获取比图像更深层的信息——它必须识别目标，并将其整合到已知的概念中。从初级视皮层开始，由图像触发的神经元活动依次经过大脑皮层上的一系列区域，向大脑前额区蔓延。在这些更高级的视觉区域，单个神经元对整个人脸或物体放电，而不是局部的细节。在这些区域，只需要一个神经元就能告诉我们，图像到底是一张人脸，还是埃菲尔铁塔。如果稍微改变图像，例如移动一下图像的位置，或者改变一点灯光，图像的细节特征就会变化，但是这些神经元似乎并不介意图像细节的轻微改变，它们的放电情况几乎保持不变，这种性质称为“视觉不变性”（visual invariance）。

　　高级视觉区域的神经元将它们的信息传递到内侧颞叶（medial temporal lobe）——海马区（hippocampus）及其周围的皮层，这些区域与记忆功能有关，我们也正是在这里发现了“珍妮弗·安妮斯顿神经元”。海马神经元的反应比高级视皮层的神经元更具特异性。每一个海马神经元都只对某个特定的人放电，或者更确切地说，对那个人所对应的“概念”放电：不仅是脸，或者外表的方方面面，还包括与此人有紧密关系的各种属性，比如这个人的名字。

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　　我们试图弄清楚，在大脑中，编码概念的神经元的稀疏程度到底如何？换句话说，多少个神经元的放电可以代表一个特定概念。显然，我们无法直接测出这种神经元的数量，因为我们无法在一个给定脑区中记录所有神经元的活动。不过，本文作者柯赫曾经和斯蒂芬·韦杜（Stephen Waydo，当时还是加州理工学院的一名博士研究生）一起利用统计学方法估算出，在内侧颞叶，一个特定概念只会触发不到100万个神经元放电，而这个区域大约有10亿个神经元。而且，考虑到研究人员在实验中使用的图片是病人非常熟悉的，这往往会使更多神经元放电，所以“100万”应该是一个上限，实际上表示一个确定概念的神经元的数量，可能只有前者的1/10，甚至1/100——确切数字可能与莱特文猜测的18000差不多。

　　也有人持相反的观点，他们认为，大脑并不是通过一小群神经元对概念编码，而是分布式地编码，也就是很多神经元共同参与，因为如果每个概念都用数以万计的神经元来编码，那大脑可能没有足够多的神经元，来表达所有概念，以及这些概念的变化情况。比如，我们大脑中的神经元是否可以多到，即使按稀疏编码的方式，也能编码出祖母的微笑、织补衣服、喝茶或在公交车站等人的样子，还有英国女王问候民众，以及天行者卢克童年时在塔图因星球（Tatooine）与达斯·维德（Darth Vader）打架等情景。

　　

　　在大脑中，记忆如何编码？神经科学家提出了两种对立的理论，但一直没有定论。一种理论认为，每一个记忆——例如天行者卢克的图像——都是零散地分布式存储在数百万甚至数十亿个神经元中。近年来，另一种理论已经得到更多科学家的认可。这种理论认为，神经元对记忆的编码是“稀疏”的，大约几千个神经元就可以表示一幅图像。当卢克的图像出现时，不管距离远近，这些神经元中的每一个都会兴奋。这群神经元中的一部分（不是全部）也会对与卢克有关的另一个角色——尤达的图像兴奋。与此类似，另一群神经元会对女影星珍妮弗·安妮斯顿的图像兴奋。