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1956年，著名的认知心理学家乔治·米勒(George Miller)发表了该领域最被广泛引用的论文之一——《神奇的数字7，正负2》。在这篇文章中，他认为，尽管大脑可以在其数万亿个连接中存储整个一生的知识，但人类能够同时在意识中主动容纳的项目数量平均只有七个。 这些项目可能是一串数字、散落在房间里的少量物体、列表中的单词或重叠的声音。米勒写道，无论它们是什么，其中只有七个能被放入所谓的工作记忆中，供我们集中注意力和其他认知过程使用。它们在工作记忆中的保留时间很短，而且有限制：当我们不再积极思考它们时，它们就会被储存到其他地方或被遗忘。 自米勒的时代以来，神经科学家和心理学家一直在继续研究工作记忆及其令人惊讶的严格限制。他们发现，工作记忆的极限实际上可能更接近于四或五个项目，而不是七个。他们还研究了人们绕过这一限制的方法：我们可以通过“分块”数字来记住电话号码的所有数字(例如，先记住1，然后记住4，作为一个单独的数字14)，或者开发助记设备，将圆周率的随机数字从长期存储中打乱。 但是，为什么工作记忆会在如此低的阈值下开始衰退，这个问题一直难以解释。科学家们可以看到，任何超过这个极限的尝试都会导致信息退化：神经元表征变得“更薄”，大脑节奏改变，记忆崩溃。在被诊断患有神经系统疾病(如精神分裂症)的患者中，这种情况似乎发生在更少的项目上。 然而，导致这些故障的机制直到最近才为人所知。 三位科学家在《Cerebral Cortex》杂志上发表的一篇论文中发现，大脑不同部位之间的'反馈'信号明显减弱是导致记忆力衰退的原因。这项工作不仅为记忆功能和功能障碍提供了新的见解，还为大脑如何处理信息的新兴理论提供了进一步的证据。  大脑中的同步嗡嗡声 美国麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的神经科学家厄尔·米勒(Earl Miller)、研究助理Dimitris Pinotsis和普林斯顿大学助理教授Timothy Buschman想知道，是什么让工作记忆的容量限制如此之低。 他们已经知道，工作记忆中活跃着一个涉及三个脑区的网络——前额叶皮层、额叶眼区和侧顶内区。但他们还没有观察到神经活动的变化与超过工作记忆极限时记忆与不记忆之间的陡峭过渡相对应。 于是，他们又回到了米勒实验室几年前进行的工作记忆测试。在这项测试中，研究人员向猴子展示了一系列屏幕：首先是一组彩色方格，然后是短暂的空白屏幕，接着是最初的屏幕，这次有一个方格的颜色发生了变化。动物们必须检测出屏幕之间的差异。有时方格的数量低于它们的工作记忆能力，有时则高于它们的工作记忆能力。放置在猴子大脑深处的电极记录了猴子完成每项任务时不同神经元群产生脑电波的时间和频率。 这些脑电波本质上是数百万个神经元的协调节奏，它们同时变得活跃和安静。当大脑区域在时间和频率上都表现出匹配的振荡时，它们就被称为同步。米勒说：“它们就像在一起哼唱。”“一起嗡嗡叫的神经元在说话。”他将其比作交通系统：大脑的物理连接就像道路和高速公路，而这些振荡脑电波“嗡嗡作响”所产生的共振模式，实际上是指挥交通流量的交通信号灯。研究人员推测，这种设置似乎在某种程度上有助于将活跃的网络“绑定”到更牢固的体验表征中。 在最近的研究中，米勒和他的同事从猴子身上收集到的振荡数据中挖掘出了有关这个由三部分组成的记忆网络如何发挥作用的信息。他们建立了一个详细的机理模型，其中包含了基于先前研究的有关网络结构和活动的假设：例如特定神经群的位置和行为（如兴奋或抑制），或某些振荡的频率。然后，研究人员就不同脑区如何相互'对话'——包括对话的方向和强度——提出了几个相互矛盾的假设。他们将这些计算结果与实验数据进行比较，以确定哪种情况最可能发生。 他们的模型证实，这三个大脑区域的行为就像玩复杂接球游戏的杂耍者。前额叶皮层似乎帮助构建了一个世界的内部模型，发送所谓的“自上而下”或反馈信号，将这个模型传达给较低层次的大脑区域。同时，额叶浅层视野和外侧顶叶内区将原始感觉输入以自下而上或前馈信号的形式发送到前额叶皮层的深层区域。自上而下的模型和自下而上的感觉信息之间的差异使大脑能够弄清楚它正在经历什么，并相应地调整其内部模型。 米勒和他的同事们发现，当要记住的项目数量超过猴子工作记忆的容量时，从前额叶皮层到其他两个区域的自上而下的反馈连接就会中断。而前馈连接却依然正常。 根据该小组的模型，反馈信号的减弱导致大脑区域之间的同步丧失。没有了来自前额皮质的预测导向的交流，工作记忆网络就失去了同步。 更新模型 但是，为什么自上而下的反馈如此容易受到要记住的项目数量增加的影响呢?研究人员的假设是，来自前额叶皮层的建模信息本质上代表了一组关于大脑对世界的感知的预测——在这种情况下，是工作记忆中保存的物品的内容。“例如，当你阅读这句话时，你会对当前的单词、短语和句子产生预期，”伦敦大学学院(University College London)的神经科学家卡尔·弗里斯顿(Karl Friston)在一封电子邮件中写道。他没有参与这项研究。“对当前句子有一个表征或期望意味着你对过去和未来有一个隐含的表征。” 许多神经科学家认为，大脑在很大程度上依赖于这种感觉数据的“预测编码”来执行其常规的认知和命令功能。但米勒和他的同事们的理论是，当放置在工作记忆中的项目数量太大时，对这些项目的可能预测的数量就不容易被编码到反馈信号中。结果，反馈失效，超负荷的工作记忆系统崩溃。 米勒的实验室和其他实验室正在努力为脑电波之间的相互作用在科学家的工作记忆模型中开辟一个更重要的角色，该模型传统上主要强调单个神经元的放电活动。他们目前也在调查为什么工作记忆的上限徘徊在4到5个项目左右，而不是其他数字。米勒认为，大脑是在交替处理工作记忆中保存的项目，一次一个。他说:“这意味着所有的信息都必须集中在一个脑电波中。”“当你超过了一个脑电波的容量时，你就达到了工作记忆的极限。” “现在的问题是，这一切将把我们带向何方，”法国国家科学研究中心的研究员鲁芬·范鲁伦(Rufin VanRullen)说。他认为该团队的模型和结论“很有力”，有待进一步的实验证实。“我们需要深入大脑内部，为这些联系找到更直接的证据。” 潜在的回报很高。巩固工作记忆的预测编码模型不仅能让我们更好地了解大脑是如何工作的，以及神经系统疾病可能会出现哪些问题。弗里斯顿认为，它还对我们所说的 '智力'--甚至是自我意识--有着至关重要的影响。首先，更好地掌握大脑的反馈连接在做什么，可以让人工智能研究迈出一大步，而目前的人工智能研究更侧重于前馈信号和分类算法。'皮诺西斯说：'但有时，系统可能需要做出决定，而不是根据它所看到的，而是根据它所记住的。 潜在的回报是很高的。巩固工作记忆的预测编码模型不仅能让我们更好地理解大脑是如何工作的，以及神经系统疾病中可能出现的问题。根据弗里斯顿的说法，这也对我们所说的“智力”——甚至是自我——有着至关重要的影响。首先，更好地掌握大脑的反馈连接在做什么，可能会在人工智能研究方面取得重大进展，目前人工智能研究更多地关注前馈信号和分类算法。 About the author ：Jordana Cepelewicz https://academic./cercor/advance-article/doi/10.1093/cercor/bhy065/4955775 仅用于学术分享，若侵权请留言，即时删侵！ |
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