追问｜当我们记忆和思考时，大脑在干什么？

·“那些大家认为很复杂的高级认知功能，比如推理、数学计算、使用符号等等，在大脑里的工作原理是可以研究的。只要我们找到正确的方式将问题分解和组合，就可以试图回答那些更为抽象的问题，比如关于意识的问题的。”

·要对大脑这样的复杂生物系统进行表征和分析，除了具备生物学知识之外，与数学、物理、信息和心理等学科广泛合作的重要性日益突显。

在生活中，我们一直在对各种各样的信息进行记忆、排序以及灵活地调用，比如打牌时思考出牌顺序、出行时规划路线、安排工作内容的先后等。

排序是如此的频繁和自然，以至于人们常常意识不到这些任务有多复杂。如果用计算机去实现这种排序任务，就需要通过硬件和算法的配合，对信息进行编码、储存、计算比较和调用等一系列繁琐的步骤。那么大脑是如何完成这项功能的呢？

不同于计算机的硬件结构，大脑是由上亿个神经元细胞组成的庞大网络。人们虽然了解它的种种认知功能，却对其底层逻辑所知甚少，如同一个“黑盒子”。近日，一项研究通过对猕猴进行心理排序任务时神经元活动的记录和分析，揭示了大脑的工作记忆模式。该研究题为《猕猴额叶皮层对空间序列信息的工作记忆编程》，于2024年9月27日发表在《科学》（Science）杂志上，作者是来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（以下简称“脑智卓越中心”）的王立平团队。

在该研究中，两只猕猴被训练执行一个延迟序列排序任务。它们需要记忆屏幕中出现在不同序列位置的圆点图案，随后会在系统提示下对序列进行正向或逆向的排序，最后通过触摸屏幕来汇报结果。研究者们将微驱动电极阵列植入猕猴的前额叶皮层，记录了数千个神经元的电活动，并对结果进行数学描述，分析其中表现出来的模式。

研究者们记录猕猴在处理排序任务时的神经活动，发现次序信息被记录在单独的“子空间”中，并通过临时子空间进行交换排序。图片来源：《科学》杂志

该研究发现，在排序任务中，每一种次序的信息都被记录在一个对应的、反映神经元不同全局状态的“子空间”中。当面对需要调换顺序的认知任务时，子空间中的顺序信息会进行交换，方式是通过形成临时子空间来存储和转移信息。此外，当猕猴被要求以顺序或倒序的不同规则来调用次序信息时，存在一个存储规则的子空间来控制信息的流向。

该研究加深了人们对于大脑工作记忆底层逻辑的理解。通过这些空间模式，研究人员甚至能够反向推断猕猴所看到的内容和排序结果，如同“读心术”一般。

猕猴的排序能力跟人类有什么区别？该如何理解这些“子空间”所代表的大脑规律？如何研究“意识”等更为复杂的认知现象？为了回答这些问题，近日，澎湃科技采访了该研究的第一作者、脑智卓越中心博士研究生田拯赫，以及通讯作者、脑智卓越中心研究员王立平。

从功能到底层：打开工作记忆的“黑盒子”

在神经认知科学中，在头脑中对事物排序被认为与工作记忆（working memory）密切相关。与长时记忆不同，工作记忆主要涉及对短期记忆的维持与操纵，以应对马上需要面对的认知情境。

“很多理论都产生于一些直观的经验，再不断地去进行修正。”王立平介绍道，“长期与短期记忆的分别挺直观的——有的东西能记得很久，而有的东西很快就忘了。后来大家又发现，记忆在脑中是经过‘操纵’的，比如被‘压缩’：很多记忆缺失了细节，只留有印象。而在短期记忆中，这种操纵体现在通过对有限容量的记忆进行组合来解决当下的问题。如果只有‘记忆’没有‘工作’，那什么也干不了。”

王立平说，工作记忆中操纵的部分涉及到推理等认知过程，相对复杂，相关研究还比较少。这项研究就是为了填补这方面的空白。

无论是记忆的存储和操作，都需要在大脑的物理层面找到对应的过程加以验证，以形成完整的解释。从结构和形态层面上，大脑大致被分为额叶、顶叶、颞叶与枕叶四个部分。以往的研究发现，前额叶皮质中的神经元在工作记忆任务中表现出持久的活动，且能够自上而下地发出影响大脑其它区域的信号。

而在细胞层面，大脑是由上亿个（人类为860亿个）不同种类的神经元细胞通过突触连接而成的复杂网络，通过电流等信号递质进行交流。从这个角度上来看，大脑并不是像电脑那样以功能明确的模块化方式运行的，而是一个大规模的并行网络：同样的神经元可能广泛参与不同的认知活动。

随着技术的发展，科学家们已经能够同时监测更多单个神经元的活动，从底层还原大脑的运行状态。在这项研究中，研究者们使用了157通道的微电极阵列同时测量了猕猴前额叶皮质中4191个神经元在工作记忆任务过程中的活动状况。

拥有了监测神经元活动的技术手段，研究者们还需要通过合适的实验设计来保证测量和分析结果能够形成有力的解释。王立平认为，虽然工作记忆涉及复杂的认知功能，但也可以将其分解成清晰而简单的过程加以说明。

“真正的智能都是抽象的。但那些大家认为很复杂的高级认知功能，比如推理、做数学、使用符号等等，在大脑里的表征是可以研究的。只要我们找到正确的方式将问题分解和组合，就可以试图回答那些更为抽象的问题，比如关于意识的问题的。”他说。

本研究通过一个巧妙的实验将心理排序分解成了三个阶段。在第一个阶段，猕猴需要记住屏幕上2到3个按顺序闪烁的点。经过短暂的延迟（500至700毫秒）后，在第二个阶段，猕猴将会看到一张图片，如果看到黄瓜，意味着它需要按顺序汇报。如果看到苹果，它就需要反过来汇报顺序。

猕猴记住点的位置次序，并按提示正序或者逆序汇报。图片来源：《科学》杂志

这样一来，猕猴就在脑中存储了次序的记忆，并对这些记忆进行了正向或反向的操纵。同样经过短暂延迟之后，在最后一个阶段，它会受到开始汇报的图片提示（一个蓝点），随后通过触摸屏幕来点选结果。

研究使用的猕猴经过了长期的训练，使它们能够将注意力集中在任务上，并能够理解图片指令的含义。田拯赫告诉澎湃科技，记忆排序甚至理解符号为很多动物所掌握，并非人类独有的“高级”活动。从这个意义上说，猕猴实验能够成为探索人类大脑规律的重要参考。

表征大脑：描述神经网络的运作模式

测量了猕猴在排序任务中的神经元活动之后，下一步便是对这些数据进行分析，看看大脑在这个过程中到底在“干什么”。

在面对记忆和排序任务时，猕猴大脑中的神经元同时活动，而每个神经元的放电强度有高有低，形成了大脑的不同状态。王立平说，这就像一个交响乐团一样，虽然在演奏一首曲目，但其中不同成员在演奏的旋律、节奏和强弱不尽相同。通过将成员个体归为一类，比如“弦乐组”、“管乐组”，就能“以管窥豹”，探索整个曲目的模式。

研究者首先要在任务刺激和神经元状态之间建立联系。“可以理解成建立单个神经元状态（因变量y）与次序信息（自变量x）之间的关系方程，其中神经元状态随着猕猴面对的次序信息的不同而变化。我们测量了4000多个神经元，就有4000多个这样的方程。”田拯赫介绍道，本科学习凝聚态物理的他具备很强的数学思维。

“每一组方程的解代表着某一个神经元对各个次序和位置信息的响应大小，那么4000组解拼在一起就是所有神经元对这些位置的群体响应。”他说，“我们再去找这些群体响应的最显著的方向，或者叫模式。”

从向量的角度来看，特定时刻这些神经元的整体状态是一个4000多维空间中的一点。面对不同的任务以及在不同的时间，代表这些状态的点就在这个高维空间中形成了一个几何结构。通过主成分分析（PCA）等数学手段，研究团队就能够从中识别出具备总体特征且能反映特定任务信息的“子空间”。

田拯赫解释道，从数学上来说，子空间代表着那4000多个方程中有哪些在面对特定任务时更加显著。对应到大脑层面，子空间代表所有这些神经元的某种特定组合，其中每个神经元都发挥了一定作用。

由于子空间反映了特定的模式，因此可以理解为这些空间上“记载”了大脑所存储的信息。研究团队发现，屏幕上多个圆点位置的信息储存在不同子空间中，当猕猴不需要对圆点进行排序时，这些信息随时间保持稳定。

而当猕猴看到苹果图片从而需要重排顺序时，每个原先的子空间会额外招募一个临时的新子空间，先把原先内部的记忆信息传递到其中，等自身信息被清空之后，再将临时子空间中的记忆信号传递给要交换的空间。

在两只猕猴脑中的次序子空间与临时子空间中，不同神经元的标准化参与比率（NPR）。图片来源：《科学》杂志

“就像交换杯子里的水一样。平时我们交换两个杯子里的水，拿一个新杯子就好。而对于大脑来说，它会拿出两个新杯子用来交换。”田拯赫说。

该研究还发现有一个子空间并不记录具体的次序信息，而是与正序或者倒序的规则有关。在不同规则下，这个子空间的状态会随时间呈现不同的发展轨迹。研究团队推测这个子空间控制了次序子空间与临时子空间之间的信息流动，可以发起和门控交换过程。

田拯赫解释，如果沿用交换杯中水的比喻，那么这个子空间就像端着水的服务员，在他左边的客人需要交换杯中水，而在他右边的则不需要。当左边的客人招呼他时，他就会朝那边走去，并拿出两个新杯子。右边的客人招呼时，他则会直接把两杯水端过去。

“当然，这里的水、杯子、服务员以及交换动作，都是大脑的不同状态，如同一张脸的不同侧面。”田拯赫说。

随着技术手段的提高，科学家们能够获得的生物数据越来越多，也越来越底层。要对大脑这样的复杂生物系统进行表征和分析，除了具备生物学知识之外，与数学、计算机、物理、化学等学科广泛合作的重要性日益突显。王立平提到，他的研究团队招收的博士生中有很多都是来自其它专业，大家通过不同角度的思想碰撞带来了很多新的研究思路。

“在很多领域导师不一定比学生懂得多，要相互学习交流。”他说。

作为该研究的第一作者，田拯赫认为研究组里相互合作、开放讨论的氛围对开展突破性研究非常关键，“可以自由地表达和尝试自己的想法非常重要。”

（澎湃新闻实习生黄煜博对本文亦有贡献）