科技行者大腦如何幫我們記住所見所聞?

大腦如何幫我們記住所見所聞?

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2021年3月1日 16:24:10 科技行者
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研究發現,當人們四處張望時,視覺系統接收到的信息將在我們的左右腦之間往來“反彈”。

來源:科技行者 2021年3月1日 16:24:10

關鍵字:科學

無論是橄欖球運動員、機場交通管制員還是在公園中緊盯自己孩子的父母,我們總能靠大腦記下自己看到的一切。即使是暫時移開視線,剛剛看到的一切也仍然印在我們的腦海中。這種“視覺工作記憶”的能力似乎天然存在,不摻雜任何負擔。但麻省理工學院的一項最新研究表明,大腦在此期間實際是在高強度運轉。每當有關鍵物體在我們的視野中移動時(無論是因為物體本身移動,還是我們的目光游移),大腦都會在相對大腦半球的神經元之間重新編碼,由此實現記憶的即時轉移。

這項發現已經由Picower學習與記憶研究所的神經科學家們發表在《自然》雜志上。從動物實驗的角度解釋,我們視覺系統的基礎布局,需要將左腦觀看到的內容映射至右腦,并將右腦觀看到的內容映射至左腦。

大腦如何幫我們記住所見所聞?

Picower研究所Earl Miller教授指導的在讀博士后、論文一作Scott Brincat提到,“人類必須有能力把握事物在真實場景中的位置,無論看向哪里,都必須時刻了解位置信息。因為在我們移動視線時,大腦從外部世界獲得的表示總會有所改變。”

在實驗當中,Brincat、Miller及其合作者發現,當一個物體在視野中轉換時,大腦會迅速利用腦波頻率同步性的顯著變化,將信息從大腦一側引導至另一側。這種轉移在幾毫秒內即可完成,其在另一大腦半球的前額葉皮層中募集一組新的神經元,用以存儲記憶信息。這種新的神經元集合將根據對象的新位置對對象進行編碼,而大腦將繼續把該對象識別為之前另一半球視野中的對象。

Miller提到,這種在視野任意活動的同時始終牢記事物相對位置的能力,是我們自由控制視線的基礎。運動員們可以將視野中的圖像在左右腦之間往來轉移,而不必擔心自己忘記剛剛看到的某一側情況。即使改變視線位置甚至超出視野以外,運動員仍然可以大體推斷當前球場上的戰況。

Miller提到,“如果沒有這種能力,我們將是簡單的生物,只能對環境中當下發生的一切做出反應,僅此而已。但好在我們可以牢記事物,對自己的行為做出主動控制。換言之,我們不必立即做某些內容做出反應,而是將場景記憶下來以備后用。”

往來轉移

在實驗室中,研究人員們測量了動物在嬉戲時兩個大腦半球前額葉皮層中數百個神經元的活動。這些動物的視線被固定在屏幕一側,物體(例如香蕉)圖像只會暫時出現在屏幕中央。這時,動物只能通過某一側的視野看到該物體,而且由于腦內的交叉“布線”,物體只在一側的半球皮質上接受處理。動物必須牢記此圖像,而后判斷呈現的圖像中是否存在其他物體(例如蘋果)。但在某些試驗中,在將原始物體保存在工作記憶中后,動物被引導將視頻從一側轉換到另一側,借此實際轉換了記憶圖像的所在側。

很明顯,動物能夠準確記住所呈現圖像與之前的圖像是否匹配;但在被迫不斷轉換視線的情況下,這種判斷能力受到了一點影響。Brincat認為,這樣的錯誤表明,大腦也需要開足馬力才能處理好記憶內容與所見內容之間的差異。

他強調,“這種能力似乎天然存在,不摻雜任何負擔,但大腦在此期間實際是在高強度運轉。”

為了分析動物們大腦中的實際處理過程,該團隊訓練出一種解碼程序,用以識別圖像記憶中神經活動原始數據的具體模式。正如所料,分析結果表明大腦對于半球內的每個圖像進行了信息編碼,而信息指示的位置與對象在視野中的實際位置相反。更值得注意的是,試驗證明在動物視線跨屏幕切換的情況下,編碼記憶信息的神經活動也會從一個大腦半球轉移至另一大腦半球。

研究小組還衡量了動物神經元集體活動或腦電波的整體節律。他們發現,記憶在從一個半球向另一個半球轉移時,始終伴隨著一種標志性的節律變化。隨著信息傳輸的進行,低頻“θ”波(約4-10赫茲)和高頻“β”波(約17-40 Hz)會在另一半球上同步上升,而“α/β”波(?11-17 赫茲)則同步下降。

這種節律的波動模式,也在Miller實驗室中關于皮質如何使用節律變化傳遞信息的研究中得到了驗證。低頻與高頻節律組合的增加,代表對感官信息(即動物剛剛看到的事物表示)進行編碼或調用。α/β頻率范圍內的功率增加會抑制編碼,由此構成感官信息處理的一種“門”機制。

Miller提到,“這是另一種形式的門,其中由α/β控制大腦兩個半球之間的記憶傳輸。”

意外發現

 

但除了節律模式之外,研究人員還得出另一個驚人的發現:對于特定視野中同一位置相同物體的圖像,如果初始觀看的大腦半球不同,則前額葉皮層會使用不同的神經元進行重現,而非從另一半球處轉移記憶。換句話說,與先前在右側看到香蕉、再將記憶轉移到左側的動物相比,先在視野左側看到香蕉的動物會使用不同的神經元集合來表示此記憶。

對Miller來說,這一發現有著令人著迷的意義。神經科學家曾認為單個神經元就是大腦功能中的基本單位,但最近人們開始傾向于神經元集合才是這種基本單位。而此次新發現表明,即使是完全相同的信息,仍然可以由不同的、任意組成的神經元集合進行編碼。

Miller推測稱,“這些集合似乎也不是大腦的基本功能單元。那么,大腦的功能單元到底是什么?也許是大腦神經網絡活動創造的計算空間。”

除了Crinlith以及Mikael Lundqvist也參與了論文編撰。

此項研究由國立心理健康研究所、海軍研究辦公室、JPB基金會以及國立普通醫學科學研究所提供資金支持。除了Crincat與Miller之外,Jacob Donoghue、Meredith Mahnke、Simon Kornblith以及Mikael Lundqvist也參與了論文編撰。

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