【科学普及】时间顺序是如何在大脑记忆的？

北京冬奥会上，我国17岁小将苏翊鸣在坡面障碍技术赛上“翊鸣惊人”，谷爱凌在自由式滑雪女子大跳台决赛中成功挑战超高难度动作1620，技惊四座。在那当下，他们大脑中闪现的是怎样一串信息，使他们能够这么行云流水般地完成一连串高难度动作？
答案也许就隐藏在“时序”中。
01 时序无处不在
我们平常唱一首歌、听一段音乐、跳一段舞蹈，都需要大脑按照时间顺序将一个个信息元素存储下来，在需要的时候再加以读取、加工。而我们每天需要处理的信息量如此巨大，大脑是怎样对序列记忆进行高效处理的？如果能够破解这个巨大的谜团，可能会极大程度推动对人类认知的理解，以及人工智能的发展。
时序是认知活动的一个核心维度。时序信息的表征和处理是记忆、语言等重要认知活动的基础，在我们的生活中无处不在。举一个简单的例子，我们需要在问路时记住指路人给出的“向前走”“再往左拐”等一系列方向指引，如果记错了顺序，则无法准确到达目的地；又如学习一段新的舞蹈，我们也必须记住老师演示的一连串动作；此外，背诵一段文章、唱一首歌曲，哪怕是我们说的每一句话，都包含了时间序列的信息。拓展而言，中国农历的24个节气也是华夏先祖对大自然序列信息的记忆结晶。
02 和猕猴玩时序记忆游戏
猕猴是演化上最接近人类的模式动物，其认知能力、大脑结构与功能比其他模式动物更接近人类，是研究时间序列等复杂高级认知功能的最佳模型。因此，研究人员选用猕猴作为实验对象。
为破解大脑时序记忆编码的奥秘，笔者所在的研究团队设计了一个“最简单的时序记忆游戏”。研究人员在猕猴面前放置一块屏幕，实验中，在屏幕的不同位置会依次闪现三个不同的点，猕猴需要在几秒钟后将这些点按照之前呈现的顺序，通过眼睛注视点依序移动扫描的方式汇报出来。汇报前的几秒，就是大脑对空间位置序列工作记忆保持期。为了记录大脑神经元群体在猕猴进行任务时的活动状态，研究人员对工作记忆的大本营——外侧前额叶皮层进行了双光子钙信号成像。这种技术只需在猴子大脑上安装一个透明的记录窗口，便可实现在窗口范围内自由选择记录的区域，一次可以同时记录到该区域中几百个神经元的钙信号活动。钙信号可以反映神经元的脉冲放电活动，而序列信息表征的关键，就在记忆期神经元群体的活动模式中。团队发现，大量神经元在不同次序的记忆过程中会扮演完全不同的角色。
一直以来，经典序列工作记忆模型假设“单个神经元是计算的基本单元，在不同次序扮演相似的角色”。这项研究推翻了这种假设——研究大脑序列记忆的“编码”，应更加关注整体神经元水平，而不是单个神经元层面。