中科院团队发现大脑“临时存储空间”，揭秘空间序列记忆机制

中科院团队发现大脑“临时存储空间”，揭秘空间序列记忆机制

2024年9月27日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究组在《科学》（Science）杂志上发表了一项突破性研究，揭示了猕猴额叶皮层在处理空间序列信息时的工作记忆编程机制。这一发现不仅深化了我们对大脑逻辑推理机制的理解，还为未来类脑计算和人工智能的发展提供了新的启示。

猕猴是灵长类动物中与人类亲缘关系较近的物种，其大脑结构和功能与人类有诸多相似之处。因此，猕猴常被用作研究人类大脑工作原理的理想模型。在这项研究中，科研人员通过训练猕猴完成特定任务，成功揭示了大脑在处理和操作信息时的神经元活动模式。

研究人员设计了一个巧妙的实验：他们训练猕猴记忆一段由连续在不同位置闪现的点组成的空间序列（记忆期1），并根据随后出现的规则提示去对该序列进行排序（正向排序或逆向排序），最后在一定记忆时间（记忆期2）后进行汇报。研究人员利用高通量电极阵列对猕猴的额叶皮层神经元活动进行了记录。

研究发现，大脑在对空间序列记忆信息进行重新排序时，会通过复杂的神经元活动实现信息的交换和存储。具体来说，在记忆期1里不同次序的子空间中的位置信息会从原本的子空间中消失，而后在记忆期2中依据新的顺序将原本的信息放入其对应次序的子空间中。这犹如两个盒子分别装着红球和绿球，当排序发生后红球绿球一起从自己的盒子中消失，而后又神奇地出现在了对方的盒子中。

更令人惊叹的是，研究团队还发现了一个独特的现象：在对不同子空间之间的信息进行交换时，每个子空间会额外招募一个临时存储自己信息的新的子空间。每个子空间先把原先内部的记忆信息传递给新的临时子空间，待到自身内部的记忆被清空之后，再将临时子空间中的记忆信号传递给对方。这种机制类似于计算机中的缓存技术，展示了大脑在信息处理方面的高效与精妙。

研究团队还发现了一个专门用于表征规则的子空间。在这个子空间中，不同规则下动力学的轨道存在显著差异。研究推测，该规则子空间可能是将外界具体的规则信号与内部抽象的动力学轨道进行联系，进而用于交换过程的发起与门控。该空间控制了次序子空间与临时子空间之间的信息流动，使得这些子空间在不同的排序规则下发生不同的动力学过程。

这一发现不仅揭示了大脑在处理复杂信息时的精妙机制，还为理解高级认知功能的神经基础提供了新的线索。正如研究团队所指出的，这种排序机制作为多种智能活动的基本运算之一，不仅能够运用于日常生活中的语言理解、项目规划等，而且可以推广到因果推断、逻辑推理等复杂的认知活动中。

此外，这项研究还展示了大脑与计算机运算机制的相似性，提示了对大脑认知机制的进一步研究或有助于推动未来类脑计算模块更加智能化、高效化发展。研究发现的作为中间步骤的临时子空间尽管在主观上无法被大脑感知，但这些意识下计算的神经基础在物质层面上确实存在，同时相关神经加工过程在神经活动也可以被实际观测，为明确意识的操作定义、揭示意识的生物学基础提供了新见解。

随着研究的深入，我们有望进一步揭示大脑的奥秘，并将这些发现应用于人工智能领域，开发出更加智能、高效的计算系统。这项研究不仅展示了中国在脑科学研究领域的实力，也为全球科学界提供了重要的参考。