大脑如何为往事铺上时间线?
新智元
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· 2020-10-28
新智元报道
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来源:神经现实
编辑:白峰
【新智元导读】大脑不能直接记录时间的流逝,但最近的研究提示:大脑能将时间链接到记忆上。时间体验可能只是一种拉普拉斯逆变换。
霍华德和尚卡尔的目标,是在神经元级别的尺度描述这个过程。霍华德说,他们出发时的唯一直觉就是他的审美观,即科学规律应该少而美,简而精。
他们随后得出了一组方程式,阐述了理论上大脑间接编码时间的可行方式。
“那一刻,我知道大脑会配合。”他补充说。
受到实证支持的激励,他和同事们研究了一个更加普适的框架,并希望这样可以统一大脑内不同类型的记忆:如果神经元用的确实是他们的方程,那么这些方程不仅可以描述时间的编码,还可以描述一大堆其他属性——甚至是思维自身。
但这基于一个前提。自从2008年时间细胞被发现以来,研究人员在方程的一端已经看到了详细的证据,但另一半——拉普拉斯变换,中间变量的表征——则完全停留在理论上。
曹所思考的这种记忆与时间的联系,是深深植根于心理学的。
最初,曹没有研究出任何成果,甚至根本无从下手。因为技术上讲,任何实验变量都有些时间的属性。他记录了在封闭空间内觅食的大鼠,检查了那段时间内它们外侧内嗅皮层的神经活动。但得到的数据让他摸不着头脑,从中并没有明显的时间信号出现。
他看到了一种放电模式,看上去就像是时间。
他和摩瑟尔夫妇及同事们进行了进一步的实验。在其中一组实验中,大鼠被置入一个盒子,自由地走动和觅食。
放电与时间相关的神经元主要位于外侧内嗅皮层。当大鼠进入盒子时,这些神经元放电率急速增高。随着时间推移,神经元的活动以不同速率下降,有的以秒为尺度,有的以分钟为尺度。
每个神经元有关于时间的不同活动模式,根据活动模式的组合,研究人员可以——他们推测大鼠也能——将不同的试次分开(好比一个个时间戳,将信号追溯到在盒子里的某个时间段)并按顺序排列。
上述实验中,大鼠似乎在利用这些“事件”发生时周遭情境(context)的不同(墙壁的颜色)来感知时间的流逝。研究人员推测认为,如果情景之间情境没有明显区别,产生的讯息可能会大不相同。
我们对时间的感知是很弹性的。一秒钟可以永远持续,一天也可以稍纵即逝
霍华德的数学模型可以提供一些帮助。了解到曹的实验结果时(该工作于2017年的一次会议首次公布,并于18年八月在《自然》杂志上发表),霍华德欣喜若狂:曹观察到的不同衰减速率正好符合了他的理论假设:那正是他的构想内的中间表征。
“这有点神奇,”霍华德说,“时间细胞被找到的差不多时候,我们写下了这些拉普拉斯变换及逆变换的方程。所以我们在过去的10年中研究逆变换的部分,但我们从来没有看到实际的变换......现在我们终于看到了。我非常激动。”
在其他实验室的数据中看到它——真是一件再好不过的事。
“我和同事和学生当时推导的东西完全有可能是臆想的。那个方程组可能在大脑,甚至世界上任何地方都不存在,“霍华德补充道,“如今在其他实验室的数据中看到它——真是一件再好不过的事。”
那些脑区里找到的时间细胞似乎可以支持他们的假说(用霍华德的说来说,“当你去找它们时,它们无处不在”)。另一份支持,来自即将发表的一篇研究——霍华德、华盛顿大学的伊丽莎白·布法罗(Elizabeth Buffalo)和其他合作者让猴子看一系列图像,在它们的内嗅皮层看到的神经活动,和曹在大鼠脑中观察到的一模一样。“不出所料,那是看到图片后的时长。”霍华德说。
他怀疑这个记录不仅是针对记忆的,还为整体认知服务。他认为同样的数学模型也可以解释我们对未来的感知——把函数平移一下就好了。这很可能会揭示大脑计时的原理,因为计时也涉及了对未来事件的预测(预测本身就基于过去经验)。
他和他的同事们一直致力于将理论扩展到其他认知领域。终有一天,一种全新的人工智能将从这种认知模型中诞生,它将建立在另一种的数学基础之上,与如今的深度学习理论背后的数学大不相同。
这些不确定性并没有削弱霍华德的研究热情。“即便这些理论都是错的,”他说。“我们依然是很振奋的,我们还会继续努力研究。”
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