Nature ：人类大脑如何编码和理解时间和经历的流动

来源：欧米伽未来研究所

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由加州大学洛杉矶分校健康中心领导的一项具有里程碑意义的研究开始揭开神经科学的一个基本谜团——人类大脑如何编码和理解时间和经历的流动。

这项研究发表在《自然》杂志上，直接记录了人类单个神经元的活动，发现特定类型的脑细胞的放电方式在很大程度上反映了一个人经历的顺序和结构。他们发现，大脑在经历结束后会保留这些独特的放电模式，并能在休息时快速重现它们。此外，大脑还能利用这些习得的模式为经历之后的未来刺激做好准备。这些发现首次提供了关于特定脑细胞如何整合“什么”和“何时”信息以提取和保留随时间变化的经历表征的经验证据。

该研究的资深作者伊扎克·弗里德博士表示，研究结果可用于开发神经假体装置，以增强记忆力和其他认知功能，并对人工智能理解人类大脑的认知具有重要意义。

加州大学洛杉矶分校健康中心癫痫手术主任、加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院神经外科、精神病学和生物行为科学教授弗里德表示：“随着时间的推移，从经验中识别模式对于人类大脑形成记忆、预测未来潜在结果和指导行为至关重要。但这一过程在大脑细胞层面上是如何进行的，至今仍不得而知。”

包括弗里德博士在内的先前研究利用脑部记录和神经成像来了解大脑如何处理空间导航，结果显示，在动物和人类模型中，大脑的两个区域——海马体和内嗅皮层——发挥着关键作用。这两个大脑区域在记忆功能中都很重要，它们相互作用以创建“认知地图”。海马体神经元充当“位置细胞”，显示动物何时处于特定位置，类似于地图上的“X”，而内嗅皮层神经元充当“网格细胞”，提供空间距离的度量。弗里德的研究小组首先在啮齿动物中发现这些细胞，后来在人类中也发现了它们。

进一步的研究发现，类似的神经活动可以代表非空间体验，例如时间、声音频率和物体特征。弗里德和他的同事的一项开创性发现是，人类海马体和内嗅皮层中的“概念细胞”对特定个体、地点或不同物体作出反应，这似乎是我们记忆能力的基础。

为了研究大脑对时间事件的处理，加州大学洛杉矶分校的研究招募了 17 名患有难治性癫痫的患者，他们的大脑中曾植入深部电极以接受临床治疗。

研究人员在参与者经历涉及行为任务、模式识别和图像排序的复杂过程时记录了他们的神经活动。

参与者首先要接受初步筛选，在此期间，电脑会在大约 40 分钟内反复向他们展示大约 120 张人物、动物、物体和地标的图片。参与者被要求执行各种任务，例如判断图片中是否有人。这些图片，例如著名演员、音乐家和地点，都是根据每个参与者的喜好来选择的。

随后，参与者接受一个三阶段实验，实验中，他们将根据金字塔形图形上任意显示的图像执行行为任务。每位参与者选择了六幅图像。

在第一阶段，图像以伪随机顺序显示。在下一阶段，图像的顺序由金字塔图上的位置决定。最后阶段与第一阶段相同。在观看这些图像时，参与者被要求执行各种与金字塔图上图像的位置无关的行为任务。这些任务包括确定图像显示的是男性还是女性，或者与前一阶段相比，给定的图像是否是镜像的。

弗里德和他的同事在分析中发现，海马内嗅神经元逐渐开始改变其活动，并使其活动与金字塔图上的图像顺序紧密一致。弗里德表示，这些模式是自然形成的，没有直接指导参与者。此外，神经元模式反映了即将出现的刺激的概率，即使在任务完成后仍保留了编码模式。

该研究的主要作者是 Pawel Tacikowski，合著者是 Guldamla Kalendar 和 Davide Ciliberti。

“这项研究首次向我们展示了大脑如何使用类似的机制来表示看似非常不同的信息类型：空间和时间，”弗里德说。“我们在神经层面上证明了人类海马-内嗅系统如何将这些物体随时间轨迹的表征结合起来。”

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