《科學》：王立平閔斌唐世明合作發現大腦序列資訊編碼的“降維”策略

作者：由生信寶典發表于文化時間：2022-02-17

無論語言溝通、執行動作還是情景記憶，本質上都涉及大腦對時序資訊的表徵（資訊在頭腦中的呈現方式）。序列資訊編碼被認為是人類語言句法結構的前提，對機器學習領域產生重大影響，但對其編碼機制人們卻知之甚少。

北京時間2022年2月11日凌晨，

《科學》

發表中科院腦科學與智慧技術卓越創新中心（神經科學研究所）研究員

王立平團隊

、上海腦科學與類腦研究中心副研究員

閔斌

和北京大學生命科學學院教授

唐世明團隊

的合作研究成果。

研究人員發現神經元以群體編碼形式表徵了序列中的空間位置，並在這些表徵中發現了類似的環狀幾何結構。該研究推翻了經典序列工作記憶模型的關鍵假設，為神經網路如何進行符號表徵這一難題提供了新見解。

時序資訊編碼迷題

“本屆北京冬奧會上，17歲小將蘇翊鳴在坡面障礙技術賽場行雲流水般的完美表現，就是時序資訊和空間資訊的完美融和。”

中科院院士、著名神經科學和生物物理學家郭愛克說

，“在更大的時空尺度上，可以說中國農曆的24節氣也是大自然對序列資訊的記憶。”

專家解釋說，人類大腦諸多認知活動都與時序資訊有關。比如問路時，需要記住指路人給出的一系列指引；學習新的舞蹈動作時，要記住老師演示的一連串動作；唱一首歌或彈奏一段音樂也不能倒著進行。在這些情況下，不僅單個內容需要被記住，它們之間的順序也不能混淆。

19世紀初，認知心理學家就開始思考序列資訊的編碼方式。序列資訊編碼也被認為是人類語言句法結構的前提，機器學習領域對序列翻譯的探索更是催生了Transformer模型。但對具有時序資訊記憶的大腦神經編碼機制人們一直未搞清楚。

圖：獼猴空間序列記憶任務

“獼猴是演化上最接近人類的模式動物，其認知能力、大腦的結構與功能更接近人類，是研究時間序列等複雜高階認知功能的最佳模型。”

王立平對《中國科學報》說

，“因此，我們從獼猴入手，訓練它記憶由多個位置點組成的空間序列，從而探究時序記憶編碼問題。”

實驗中，獼猴面前的螢幕上會依次閃現三個不同的點，獼猴需要在幾秒鐘後，將這些點按之前呈現的順序“彙報”出來。在“彙報”前的幾秒記憶保持期內，空間序列的資訊便以工作記憶的形式被暫時儲存在大腦中。為了記錄大腦神經元群體在獼猴進行任務時的活動狀態，研究人員對工作記憶的大本營——外側前額葉皮層進行了雙光子鈣訊號成像。“鈣訊號可反映神經元的脈衝放電活動，序列資訊表徵的關鍵就在記憶期神經元群體的電活動模式之中。”王立平說。

找到大腦中的“螢幕”

大腦如何在記憶期內，同時表徵序列中多個資訊呢？研究人員猜想，獼猴的大腦中也有一塊“螢幕”，獼猴可以把出現過的點記在這個螢幕上。但如果三個點同時在記憶保持期內顯示在這塊“螢幕”上，每個點的次序又該如何體現呢？獼猴的大腦裡是否會同時存在三塊不同的“螢幕”？這樣每個“螢幕”只需要記下一個點的資訊，而且不會互相干擾。

帶著這些疑問，研究人員分析了鈣成像獲得的高維資料，發現可以在高維向量空間裡面找到每個次序的資訊所對應的二維子空間，即找到其對應的“螢幕”。

“在每個子空間內，不同的點所對應的空間位置與真實視覺刺激的環狀結構一致。而且，不同次序所對應的子空間接近相互正交，說明大腦確實用三塊不同的“螢幕”來表徵序列資訊。”

閔斌解釋說

。

為了進一步探究大腦是否總是用相同的幾塊“螢幕”記憶不同型別的空間序列，研究人員用機器學習方法，訓練線性分類器來區分不同次序上的空間資訊。結果發現，用於編碼次序的“螢幕”是穩定通用的。

研究人員還發現，不同次序的子空間之間共享了類似的環狀結構，只是環的半徑大小會隨次序的增加而減小。

“一個可能的解釋是，次序靠後的資訊所分配到的注意資源更少，導致對應的環變小、區分度降低。”

該論文共同第一作者、中科院腦科學與智慧技術卓越創新中心博士後謝洋對《中國科學報》說

，“這一結構也對應了序列記憶的行為表現。如，我們記憶的內容越多，靠後的資訊越容易出錯。”

有意思的是，這種在群體水平上由時間調製空間資訊幾何結構的編碼性質，並不完全適用於單個神經元水平。也就是說，序列記憶的編碼更應關注群體神經元性質，而非單個神經元。