科技行者大脑如何帮我们记住所见所闻?

大脑如何帮我们记住所见所闻?

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2021年3月1日 16:24:10 科技行者
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研究发现,当人们四处张望时,视觉系统接收到的信息将在我们的左右脑之间往来“反弹”。

来源:科技行者 2021年3月1日 16:24:10

关键字:科学

无论是橄榄球运动员、机场交通管制员还是在公园中紧盯自己孩子的父母,我们总能靠大脑记下自己看到的一切。即使是暂时移开视线,刚刚看到的一切也仍然印在我们的脑海中。这种“视觉工作记忆”的能力似乎天然存在,不掺杂任何负担。但麻省理工学院的一项最新研究表明,大脑在此期间实际是在高强度运转。每当有关键物体在我们的视野中移动时(无论是因为物体本身移动,还是我们的目光游移),大脑都会在相对大脑半球的神经元之间重新编码,由此实现记忆的即时转移。

这项发现已经由Picower学习与记忆研究所的神经科学家们发表在《自然》杂志上。从动物实验的角度解释,我们视觉系统的基础布局,需要将左脑观看到的内容映射至右脑,并将右脑观看到的内容映射至左脑。

大脑如何帮我们记住所见所闻?

Picower研究所Earl Miller教授指导的在读博士后、论文一作Scott Brincat提到,“人类必须有能力把握事物在真实场景中的位置,无论看向哪里,都必须时刻了解位置信息。因为在我们移动视线时,大脑从外部世界获得的表示总会有所改变。”

在实验当中,Brincat、Miller及其合作者发现,当一个物体在视野中转换时,大脑会迅速利用脑波频率同步性的显著变化,将信息从大脑一侧引导至另一侧。这种转移在几毫秒内即可完成,其在另一大脑半球的前额叶皮层中募集一组新的神经元,用以存储记忆信息。这种新的神经元集合将根据对象的新位置对对象进行编码,而大脑将继续把该对象识别为之前另一半球视野中的对象。

Miller提到,这种在视野任意活动的同时始终牢记事物相对位置的能力,是我们自由控制视线的基础。运动员们可以将视野中的图像在左右脑之间往来转移,而不必担心自己忘记刚刚看到的某一侧情况。即使改变视线位置甚至超出视野以外,运动员仍然可以大体推断当前球场上的战况。

Miller提到,“如果没有这种能力,我们将是简单的生物,只能对环境中当下发生的一切做出反应,仅此而已。但好在我们可以牢记事物,对自己的行为做出主动控制。换言之,我们不必立即做某些内容做出反应,而是将场景记忆下来以备后用。”

往来转移

在实验室中,研究人员们测量了动物在嬉戏时两个大脑半球前额叶皮层中数百个神经元的活动。这些动物的视线被固定在屏幕一侧,物体(例如香蕉)图像只会暂时出现在屏幕中央。这时,动物只能通过某一侧的视野看到该物体,而且由于脑内的交叉“布线”,物体只在一侧的半球皮质上接受处理。动物必须牢记此图像,而后判断呈现的图像中是否存在其他物体(例如苹果)。但在某些试验中,在将原始物体保存在工作记忆中后,动物被引导将视频从一侧转换到另一侧,借此实际转换了记忆图像的所在侧。

很明显,动物能够准确记住所呈现图像与之前的图像是否匹配;但在被迫不断转换视线的情况下,这种判断能力受到了一点影响。Brincat认为,这样的错误表明,大脑也需要开足马力才能处理好记忆内容与所见内容之间的差异。

他强调,“这种能力似乎天然存在,不掺杂任何负担,但大脑在此期间实际是在高强度运转。”

为了分析动物们大脑中的实际处理过程,该团队训练出一种解码程序,用以识别图像记忆中神经活动原始数据的具体模式。正如所料,分析结果表明大脑对于半球内的每个图像进行了信息编码,而信息指示的位置与对象在视野中的实际位置相反。更值得注意的是,试验证明在动物视线跨屏幕切换的情况下,编码记忆信息的神经活动也会从一个大脑半球转移至另一大脑半球。

研究小组还衡量了动物神经元集体活动或脑电波的整体节律。他们发现,记忆在从一个半球向另一个半球转移时,始终伴随着一种标志性的节律变化。随着信息传输的进行,低频“θ”波(约4-10赫兹)和高频“β”波(约17-40 Hz)会在另一半球上同步上升,而“α/β”波(?11-17 赫兹)则同步下降。

这种节律的波动模式,也在Miller实验室中关于皮质如何使用节律变化传递信息的研究中得到了验证。低频与高频节律组合的增加,代表对感官信息(即动物刚刚看到的事物表示)进行编码或调用。α/β频率范围内的功率增加会抑制编码,由此构成感官信息处理的一种“门”机制。

Miller提到,“这是另一种形式的门,其中由α/β控制大脑两个半球之间的记忆传输。”

意外发现

 

但除了节律模式之外,研究人员还得出另一个惊人的发现:对于特定视野中同一位置相同物体的图像,如果初始观看的大脑半球不同,则前额叶皮层会使用不同的神经元进行重现,而非从另一半球处转移记忆。换句话说,与先前在右侧看到香蕉、再将记忆转移到左侧的动物相比,先在视野左侧看到香蕉的动物会使用不同的神经元集合来表示此记忆。

对Miller来说,这一发现有着令人着迷的意义。神经科学家曾认为单个神经元就是大脑功能中的基本单位,但最近人们开始倾向于神经元集合才是这种基本单位。而此次新发现表明,即使是完全相同的信息,仍然可以由不同的、任意组成的神经元集合进行编码。

Miller推测称,“这些集合似乎也不是大脑的基本功能单元。那么,大脑的功能单元到底是什么?也许是大脑神经网络活动创造的计算空间。”

除了Crinlith以及Mikael Lundqvist也参与了论文编撰。

此项研究由国立心理健康研究所、海军研究办公室、JPB基金会以及国立普通医学科学研究所提供资金支持。除了Crincat与Miller之外,Jacob Donoghue、Meredith Mahnke、Simon Kornblith以及Mikael Lundqvist也参与了论文编撰。