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大腦把記憶存在哪了?技術細節複雜 但原理簡單

從前,俄羅斯有一個著名的神經外科醫生,叫做阿卡赫·阿卡諾維奇(Akakhi Akakhievitch)。有一個古怪的病人,希望阿卡諾維奇幫他徹底忘掉他那專橫討厭的母親。阿卡諾維奇答應了他的請求,打開病人的頭顱,一個一個地剔除了數千個神經元,這些神經元都與病人對他母親的記憶有關。術後,病人從麻醉中蘇醒,奇蹟出現了,病人失去了所有關於他母親的記憶,不管是好的還是壞的記憶。阿卡諾維奇對手術的成功感到非常欣喜,高興之餘,他決定致力於下一項研究——找出那些與對祖母的記憶有關的神經元。

這個故事當然是虛構的。1969年,神經科學家傑里·萊特文(Jerry Lettvin,已故)在麻省理工學院演講時,講述了這個故事,用來闡述他那個後來被戲稱為“祖母細胞”(grandmother cells)的理論。萊特文認為,我們日常的每一種意識體驗、思維以及記憶,不管是對於某個親戚朋友,還是其他任何人或者物,都只有大約18000個神經元與之對應。不過,萊特文後來既沒有進一步證明,也沒有放棄他的大膽假設,而40多年來,科學家對“祖母細胞”理論也一直有不同看法。

認為神經元以一種非常具體而明確的方式存儲記憶的觀點,可以追溯到19世紀末威廉·詹姆斯(William James)提出的所謂“教皇細胞”(pontificial cells)的理論。該理論認為,人們的意識就是由“教皇細胞”產生的。但是,不管是“祖母細胞”還是“教皇細胞”假說,都與當時的主流理論相悖,即諾貝爾獎得主查爾斯·謝靈頓(Charles Sherrington)在1940年提出的“億萬神經元大民主”(a millionfold democracy)的理論。這一理論認為,對任何人和事物的感知,都要依靠億萬神經元的大協作來完成。在這種情況下,任何單個神經元的活動都毫無意義,只有大規模神經元群體的合作才能創造意義。

大腦是如何存儲一個特定概念的?是通過為數不多的神經元(例如幾千個,甚至更少的神經元)來存儲,還是動用大量神經元(數以億計的神經元)分散式地存儲在整個大腦中?神經科學家在這個問題上一直爭論不休。不過,這種爭論也帶來了好處,讓科學家對記憶和有意識思維有了新的理解。有趣的是,在此過程中,好萊塢還幫了一點忙。

對女影星放電的神經元

幾年前,我們與加布里埃爾·克賴曼(Gabriel Kreiman,現在是美國哈佛大學醫學院的副教授)和萊拉·雷迪(Leila Reddy,現在是法國圖魯斯腦與認知中心的研究員)合作,完成了一次不尋常的實驗,在一個病人大腦的海馬區(hippocampus,與記憶有關的一個腦區)發現了一個非常有趣的神經元,這個神經元只會對美國女影星珍妮弗·安妮斯頓(Jennifer Aniston)的圖片產生強烈反應,而對其他事物(數十個其他男影星、社會名流、場所或動物)的圖片無動於衷。在另一個病人的海馬區,也發現了一個特殊的神經元,只在女影星哈莉·貝瑞(Halle Berry)的圖片出現時放電,甚至計算機屏幕上顯示貝瑞的名字時也會放電,而對其他事物保持沉默。還有一個神經元只對女影星奧普拉·溫弗雷(Oprah Winfrey)有反應,當出現她的圖片,或者計算機屏幕上顯示她的名字,或者播出由計算機合成的奧普拉·溫弗雷的讀音時,這個神經元就會放電。此外,科學家還發現一個神經元,只有在出現天行者盧克(Luke Skywalker,電影《星球大戰》中的角色)的圖片,或者計算機屏幕上顯示他的名字,以及播出由計算機合成的名字讀音時放電。類似的例子還有很多。

通過直接記錄單個神經元的放電情況,就可以實現這類觀察研究。另外一些更常用的技術,例如大腦功能成像技術,可以觀察受試者在執行一個特定任務時整個腦區的活動情況。大腦功能成像可以追蹤大腦中興奮區域(通常包含幾百萬個神經元)的整體能耗情況,但是無法分辨一小群神經元的活動,更不用說單個神經元了。為了記錄單個神經元發放的電脈衝,需要在大腦中植入比頭髮還細的微電極。這種技術不像大腦功能成像那樣常用,只有在特殊的治療過程中,才會將微電極植入病人大腦中。

在治療癲癇病人時,偶爾會有這樣的機會。當病人的癲癇強烈發作,普通的治療又無法控制癥狀時,就需要進行手術治療。在某些情況下,切除癲癇病灶是可行的,甚至有可能使病人治癒。手術前,醫生需要通過各種技術對癲癇發作的起點位置和病灶進行精確定位。當然,醫生會首選非侵入性技術,如大腦功能成像,來進行手術前的評估性檢測,綜合考慮各項檢測指標,並通過病人頭皮的腦電圖記錄,分析病理性的神經電活動(癲癇發作時,大量神經元同步密集放電)。但有時,依靠非侵入性技術不足以對癲癇病灶進行精確定位,此時,神經外科醫生就只能求助微電極。他們將微電極深植於病人大腦中,並讓病人留院觀察,以便持續監測病人的大腦活動,再根據監測數據分析癲癇情況。

在病人留院觀察期間,有時科學家會邀請病人作為自願者,參加研究性實驗,讓他們進行多種認知任務,同時監測他們的大腦活動。在美國加利福尼亞大學洛杉磯分校,我們使用了一種獨特的技術,將非常纖細的金屬絲引導的柔性微電極(flexible electrodes)植入自願者大腦進行記錄。該技術由弗賴特發明,他在加利福尼亞大學洛杉磯分校領導著一個癲癇手術研究項目(Epilepsy Surgery Program),並與世界各地的科學家進行合作,包括美國加州理工學院柯赫的研究組,以及英國萊斯特大學奎恩·奎羅格實驗室的科研人員。利用這項技術,我們得以直接記錄大腦在執行不同任務時單個神經元的放電情況。實驗中,病人注視著筆記本電腦屏幕上顯示的圖像,回憶或者執行其他任務,我們則連續不斷地監測病人神經元的活動。正是在這一研究中,我們發現了“珍妮弗·安妮斯頓神經元”,而且我們的發現也在不經意間重新點燃了萊特文的“祖母細胞”理論所引發的爭論。

重新認識“祖母細胞”

像“珍妮弗·安妮斯頓神經元”這樣的神經細胞,會不會就是科學家長期爭論的“祖母細胞”呢?為了回答這個問題,我們必須首先給“祖母細胞”下個精確的定義。對於“祖母細胞”假說,一種極端的解釋是,一個神經元對應一個概念。但是,既然我們能夠找到一個單獨的神經元,它只對珍妮弗·安妮斯頓興奮,那麼我們就有理由推斷,必定還有更多的珍妮弗·安妮斯頓神經元,因為在數十億個神經元中找到一個,而且是唯一的特定神經元的概率幾乎為零。此外,如果只有一個神經元負責處理與珍妮弗·安妮斯頓有關的全部信息,那麼萬一這個神經元因疾病或意外而受到損壞,有關珍妮弗·安妮斯頓的全部記憶豈不蕩然無存,這怎麼可能?

對於“祖母細胞”假說,另一種不太極端的解釋是,任意一個概念都有若干神經元與之對應。這種解釋可能是合理的,但很難證明,甚至不可能證明。因為我們不可能將所有的概念都嘗試一遍,從而證明某個神經元只對某一個概念(例如珍妮弗·安妮斯頓)放電。事實上,相反的例子卻很多,我們經常會發現一些神經元,它們可以對不止一個概念放電。因此,如果在某次實驗中發現一個神經元只對一個人放電,那我們也無法排除它可能還會對其他刺激放電,只不過我們在實驗中並沒有使用這種刺激罷了。

例如,在找到“珍妮弗·安妮斯頓神經元”的第二天,我們進行了重複實驗。這次實驗中,我們使用了很多與她有關的圖片,結果發現“珍妮弗·安妮斯頓神經元”還會對麗莎·庫卓(Lisa Kudrow,與珍妮弗·安妮斯頓一起出演過電視劇《老友記》,兩人都憑此而成名)放電;對天行者盧克有反應的那個神經元,也會對尤達(Yoda,電影《星球大戰》中的角色,與天行者盧克一樣也是一名絕地武士)放電;另外有一個神經元對兩個籃球運動員興奮;還有一個神經元對本文作者之一的奎恩·奎羅格及其合作者興奮,這些人都與加利福尼亞大學洛杉磯分校那位自願參加實驗的病人有過接觸,凡此種種。儘管如此,人們仍可以認為,這些神經元就是“祖母細胞”,只不過能讓它們興奮放電的對象不止一個,比如,電視劇《老友記》中兩個金髮碧眼的女影星、電影《星球大戰》中的絕地武士們、籃球運動員們,或者與病人一起做實驗的科學家們。因此,這些細胞是不是“祖母細胞”的問題,似乎就變成了是否對定義進行擴展的一個語義問題。

暫且撇開語義方面的討論,我們先來關注這些“珍妮弗·安妮斯頓神經元”的一些關鍵特徵。首先,我們發現,這類神經元的興奮非常有選擇性,每一種都只對展示給病人的一小部分社會名流、政客、親戚或地標建築的圖片興奮。其次,這類神經元中的每一種都可以對特定人物或場所的多種表達形式興奮,而與圖片的具體視覺特徵無關。事實上,一個神經元可以對同一個人的各種圖片,甚至他的名字(無論是書寫的,還是朗讀的),產生類似的興奮反應。就好像這個神經元以它的放電模式告訴我們,“我認識珍妮弗·安妮斯頓這個人,不管你用什麼形式進行展示:她穿紅衣服的圖片、她的輪廓、書寫出來的她的名字,甚至大聲喊出她的名字都可以”。這種神經元似乎是對確定的概念放電——不管這一概念是通過哪種形式來表達。因此,將這些神經元改稱為“概念細胞”(concept cells),而不是“祖母細胞”,可能更恰當。“概念細胞”有時也會對多個概念興奮,這種情況下,多個概念往往是密切關聯的。

概念編碼

要理解為數不多的神經元與一個特定概念(如珍妮弗·安妮斯頓)之間如何關聯,首先需要了解一個複雜過程:在日常生活中,我們的大腦如何獲取和存儲大量的人和事物的圖像信息。眼睛看到的信息首先通過眼球後的視神經,傳入位於後腦的初級視皮層(primary visual cortex)。這裡的神經元對圖像的某些微小細節放電。每一個神經元就像數字圖像的像素點,或者畫家喬治·修拉(Georges Seurat)的點彩畫中的一個彩色點。

單個神經元並不能告訴我們,它所接收的細節對應的是一張臉、一杯茶,還是埃菲爾鐵塔,或者其他什麼圖像。但是,每一個神經元的信息都是整體圖像的一部分,它們組合起來就會產生一幅美麗的圖像,例如《大碗島的星期日下午》(A Sunday Afternoon On the Island of LaGrande Jatte,喬治·修拉的代表畫作)。如果圖像稍有變化,圖像的某些細節也會改變,此時,初級視皮層上神經元群的放電也會相應地改變。

大腦需要對感覺信息進行加工,以獲取比圖像更深層的信息——它必須識別目標,並將其整合到已知的概念中。從初級視皮層開始,由圖像觸發的神經元活動依次經過大腦皮層上的一系列區域,向大腦前額區蔓延。在這些更高級的視覺區域,單個神經元對整個人臉或物體放電,而不是局部的細節。在這些區域,只需要一個神經元就能告訴我們,圖像到底是一張人臉,還是埃菲爾鐵塔。如果稍微改變圖像,例如移動一下圖像的位置,或者改變一點燈光,圖像的細節特徵就會變化,但是這些神經元似乎並不介意圖像細節的輕微改變,它們的放電情況幾乎保持不變,這種性質稱為“視覺不變性”(visual invariance)。

高級視覺區域的神經元將它們的信息傳遞到內側顳葉(medial temporal lobe)——海馬區(hippocampus)及其周圍的皮層,這些區域與記憶功能有關,我們也正是在這裡發現了“珍妮弗·安妮斯頓神經元”。海馬神經元的反應比高級視皮層的神經元更具特異性。每一個海馬神經元都只對某個特定的人放電,或者更確切地說,對那個人所對應的“概念”放電:不僅是臉,或者外表的方方面面,還包括與此人有緊密關係的各種屬性,比如這個人的名字。

我們試圖弄清楚,在大腦中,編碼概念的神經元的稀疏程度到底如何?換句話說,多少個神經元的放電可以代表一個特定概念。顯然,我們無法直接測出這種神經元的數量,因為我們無法在一個給定腦區中記錄所有神經元的活動。不過,本文作者柯赫曾經和斯蒂芬·韋杜(Stephen Waydo,當時還是加州理工學院的一名博士研究生)一起利用統計學方法估算出,在內側顳葉,一個特定概念只會觸發不到100萬個神經元放電,而這個區域大約有10億個神經元。而且,考慮到研究人員在實驗中使用的圖片是病人非常熟悉的,這往往會使更多神經元放電,所以“100萬”應該是一個上限,實際上表示一個確定概念的神經元的數量,可能只有前者的1/10,甚至1/100——確切數字可能與萊特文猜測的18000差不多。

也有人持相反的觀點,他們認為,大腦並不是通過一小群神經元對概念編碼,而是分散式地編碼,也就是很多神經元共同參與,因為如果每個概念都用數以萬計的神經元來編碼,那大腦可能沒有足夠多的神經元,來表達所有概念,以及這些概念的變化情況。比如,我們大腦中的神經元是否可以多到,即使按稀疏編碼的方式,也能編碼出祖母的微笑、織補衣服、喝茶或在公交車站等人的樣子,還有英國女王問候民眾,以及天行者盧克童年時在塔圖因星球(Tatooine)與達斯·維德(Darth Vader)打架等情景。

在大腦中,記憶如何編碼?神經科學家提出了兩種對立的理論,但一直沒有定論。一種理論認為,每一個記憶——例如天行者盧克的圖像——都是零散地分散式存儲在數百萬甚至數十億個神經元中。近年來,另一種理論已經得到更多科學家的認可。這種理論認為,神經元對記憶的編碼是“稀疏”的,大約幾千個神經元就可以表示一幅圖像。當盧克的圖像出現時,不管距離遠近,這些神經元中的每一個都會興奮。這群神經元中的一部分(不是全部)也會對與盧克有關的另一個角色——尤達的圖像興奮。與此類似,另一群神經元會對女影星珍妮弗·安妮斯頓的圖像興奮。

為了回答這個疑問,我們首先要考慮的是,一個人能夠記住的概念通常不超過1萬個。與內側顳葉擁有約10億個神經元相比,1萬個概念並不算多。另外,我們有理由認為,對概念進行稀疏編碼和存儲是非常高效的。內側顳葉的神經元並不關心一個概念的不同情況,例如,它們不關心盧克是站著還是坐著,它們只關心輸入的信息是否與盧克有關。這些神經元只對概念本身放電,而與概念的具體表現形式無關。對概念的抽象化——神經元可以對“盧克”這個概念的所有表現形式放電,減少了神經元需要編碼的信息量,而且使得神經元具有高度選擇性,例如只對盧克放電,而不會對珍妮弗放電。

韋杜的模擬研究進一步發展了這一觀點。基於視覺信息加工的詳細模型,韋杜通過計算機程序模擬了一個神經網路,可以識別多種不帶標記的圖片,比如飛機、汽車、摩托車和人臉。這套程序對圖片所表達概念的識別,並不需要教師的指導,也沒有人告訴它“這是飛機,那是卡車”。它必須利用前提假設獨立完成識別。給它的前提假設是:儘管圖像很多,但它們實際上是少數幾個人或物的不同表現形式,每一個人或物都由一小群神經元來表示,就像我們在內側顳葉中所發現的那樣。在軟體模擬中加入這種稀疏編碼方式之後,該神經網路學會了分辨同一個人或物體的不同圖片,即使這些圖片有非常大的差異,該神經網路也能正確辨別。這個模擬研究的結果,與我們通過記錄人類大腦中神經元放電所得到的結果非常相似。

概念細胞之間的關聯

大腦如何表示外部世界的信息,又如何將感覺轉變成記憶?這個問題與我們的研究密切相關。先看看一個著名的病例(名為H。 M。),他患有頑固性癲癇,為了控制他強烈的癲癇癥狀,神經外科醫生無奈之下,只好選擇切除他的海馬區,以及大腦兩側與海馬區相連的區域。手術後,這位病人仍能辨別人和物體,可以回想起手術前就知道的一些事,但是出乎意料的是,他再也不能形成新的持久性記憶。由於失去了海馬區,他很快就會忘記剛經歷過的事情,就像電影《記憶碎片》(Memento)中患有類似神經疾病的主角那樣。

上述病人的故事表明,海馬區(甚至整個內側顳葉)對於感知並不是必需的,但對於短時記憶(持續時間很短)向長時記憶(持續時間達數小時、數天甚至數年)的轉變卻是必不可少的。我們認為,位於內側顳葉區域的“概念細胞”,在將我們意識到的東西(即外部輸入的感覺信息或大腦回憶所觸發的內容)轉變成長時記憶的過程中發揮關鍵作用,長時記憶隨後將存儲到大腦皮層的其他區域。我們認為,對於那位病人來說,他在辨認,或者回憶安妮斯頓時,“珍妮弗·安妮斯頓神經元”並非必需的,但是,這位病人要把“安妮斯頓”放在自己的腦海中,建立起與這位女影星有關的聯繫或記憶,該神經元卻是至關重要的——比如,日後他會想起他見過安妮斯頓的照片。

我們的大腦可能通過為數不多的“概念細胞”,將一個事物的多種形式表示為一個獨特的概念。這樣的表示方式只需要一小群神經元,並且不會隨著事物具體形式的變化而變化。“概念細胞”的作用對於解釋我們的回憶過程很有幫助,我們會回想起珍妮弗或盧克的整體形象,而不是他們臉部的每一個細節。我們不需要(也不可能)回想起遇到過的每個人或每件事的全部細節。

重要的是抓住特定場景中與我們有關的人和事物的關鍵信息,而不是記住大量毫無意義的細枝末節。如果我們在咖啡店偶然遇見一個熟人,對我們而言更重要的是記住這次相遇後發生的一些重要事情,而不是此人的衣著打扮,或者他說的每一句話,更不是喝咖啡的其他陌生人的長相。“概念細胞”傾向於對與個人相關的事物興奮,因為我們通常會記住與我們熟悉的人或事物有關的事,而不會浪費精力去記住與我們無關的事。

記憶不只是一個個孤立的概念。對珍妮弗·安妮斯頓的記憶,包含著與她本人以及她在《老友記》等影視作品中所扮演的角色有關的一系列故事。對某個記憶情節的完整回憶,需要在不同但是相關的概念之間建立聯繫,比如,把“珍妮弗·安妮斯頓”這個概念與“坐在沙發上,一邊看著《老友記》,一邊吃著冰淇淋”等概念關聯起來。

如果兩個概念是關聯的,那麼編碼其中一個概念的某些神經元可能也會對另一個概念興奮。這可以解釋大腦神經元對相互聯繫的事物如何進行編碼的生理過程。神經元會對有關聯的其他概念放電,這可能就是形成情景記憶(episodic memories,例如在咖啡店偶遇熟人後發生的一系列事件)以及意識流動(flow of consciousness,意識的內容自發地從一個概念跳到另一個概念)的基礎。當我們看到珍妮弗·安妮斯頓時,視覺感知激發起我們對電視、沙發以及冰激凌等概念的記憶,這些相互關聯的概念構成了“正在觀看《老友記》劇集”的記憶。同一個概念的不同方面(存儲在不同的腦區)之間,也可能是通過類似的方式形成關聯,從而將一束玫瑰的香味、形狀、顏色和質地,或者珍妮弗的容貌和嗓音聯繫起來。

既然以抽象概念的形式存儲高級記憶具有明顯優越性,那我們就要進一步探討,為什麼對這些概念的表示只需要內側顳葉中的一小群神經元?多項模擬研究表明,稀疏編碼方式對於快速形成不同概念之間的聯繫是必需的——這可能就是答案。

模擬研究的技術細節相當複雜,不過原理非常簡單。就拿我們在咖啡店遇到一個熟人這樣的例子來說,假如採用分散式編碼的方式——而不是相反的稀疏編碼——來表示這個人,那我們對這個人的每一處細節都需要用許多神經元進行編碼。對這家咖啡店本身的分散式編碼,又需要另外的大量神經元。如果要將這個人和這家咖啡店聯繫起來,就需要在表示這兩個概念各種細節的大量神經元之間建立連接。這還沒有考慮將這兩個概念與其他更多概念聯繫起來的問題,例如,這家咖啡店看起來像一家舒適的書店,而遇到的那個人看上去很像我們認識的另一個人。

在分散式網路中建立這樣的連接是非常緩慢的,而且可能導致記憶混亂。相反,在稀疏網路中建立這樣的連接既快速又容易,只須使少數神經元對兩個概念都放電,從而在表示每個概念的各組神經元之間建立少量連接即可。稀疏網路的另一個優點是,增加新概念並不會對網路中既有的其他概念帶來顯著影響;而在分散式網路中很難將一個概念單獨分隔開來,若要增加一個新概念,甚至需要改變整個網路的邊界。

“概念細胞”使感知和記憶相互聯繫,通過抽象化和稀疏編碼的方式表示語義知識(semantic knowledge),比如人、場所、物體,以及構成我們個人世界的全部有意義的概念。它們是搭建記憶大廈的磚石,使我們對生活中的事實和事件形成記憶。它們巧妙的編碼方式使我們的思維可以撇開無數瑣碎的細節,提取出有意義的東西,以此來形成新的記憶,並在概念之間建立新的關聯。“概念細胞”編碼了我們的經歷中最重要的內容。

“概念細胞”與萊特文所設想的“祖母細胞”不太相似,但它們很可能是人類認知能力的重要物質基礎,以及思維和記憶的硬體組分。

阿波羅網責任編輯:夏雨荷 來源:新浪科技 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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