1956年，著名的認知心理學家喬治·米勒（George Miller）發表了一篇重要的論文：《神奇的數字：7±2》，這是在該領域被引用次數最高的論文之一。該論文所闡述的觀點是：雖然大腦可以將整個生命周期中的知識都儲存在其數以萬億計的連接中，但是人類在一次意識知覺中能同時主動持有的事物數量卻是有限的，平均來說這個數字為7。
○ 神奇的數字。
這些「事物」可以是一串數字、或是散落在一個房間裡的幾樣物品、或是一張單詞列表，等等等等。無論它們是什麼，能進入所謂的「工作記憶」的只能有7項。在工作記憶中，才能引發我們集中注意力和其他認知過程。而且它們在工作記憶中留存的時間很短暫：當它們不再被主動想起時，就會被存儲在別處或被遺忘。
自Miller之後，一直有神經科學家和心理學家致力於研究工作記憶，並且發現與工作記憶有關的限制很可能比7要小，只有4或5。他們還研究了用來解決這一類限制的方式，例如當人們要記憶一串數字時，可通過將數字分成「組塊」來幫助記憶。
在3月份發表在《大腦皮層》的一篇論文中，三位科學家發現傳播在大腦不同部位間的「反饋」信號的顯著削弱，是造成記憶故障的主要原因。這項研究不僅為記憶功能和功能障礙提供了新的見解，還為大腦處理信息的一種新興理論提供了進一步的證據。
大腦中同步的「哼唱聲」
這項研究的作者想要知道，是什麼讓工作記憶的容量限制如此之低。他們已經知道的是，一個涉及到三個大腦區域——前額葉皮層、額葉視區和側頂葉——的網絡會在工作記憶中非常活躍。而還沒被觀察到的是，由於超過工作記憶極限而導致大腦從記得轉變成不記得時，會產生的相應的神經活動變化。為了有所突破，研究人員決定回顧一項已經完成的實驗。
○參與生產視覺工作記憶的三個大腦區域，從左到右依次為前額葉皮層、額葉視區和側頂葉。但超過工作記憶的最大數值時，這一系統就會崩潰。| 圖片來源：Picower Institute for Learning and Memory
幾年前，論文的作者之一Earl Miller和他的研究團隊曾進行過一項與工作記憶有關的試驗，他們在屏幕上向猴子展示了一系列不同的圖形（如下圖）：首先是一組彩色的正方形，緊接著是空白屏幕，然後播放一次初始屏幕的圖案，但這次會改變其中一個正方形的顏色。猴子們必須檢測屏幕與屏幕間的差異。屏幕上出現的正方形數量時而高於工作記憶容量、時而低於工作記憶容量。放置於猴子大腦深處的電極會記錄下各種神經元在完成每項任務時產生的腦電波的時間和頻率。
○實驗設置。| 圖片來源：DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.02.028
基本上，這些腦電波是數百萬個神經元的協同節奏，它們會同時變得活躍又同時趨於安靜。當大腦區域在時間和頻率上出現相符的振蕩時，我們說它們同步了。就像它們在一同哼唱，而且這些一起哼唱的神經元之間會互相交流。Earl Miller把這比作是交通系統：大腦中的物理連接就好比是道路，而由這些振蕩的腦電波共同產生的共振模式就好比是疏導交通的交通燈。據研究人員推測，這種設置或許有助於將活躍的網絡「綁定」成一種體驗的更加堅實的表達。
在最新的研究中，為了獲取了解這種三部分式的記憶網絡是如何運作的，他們挖掘了從猴子實驗中收集到的振蕩數據。在早先研究的基礎上，他們結合網絡結構和活動的一些假設，建立了一個詳細的機制模型。隨後，當猴子需要記住的東西越來越多時，研究人員會針對不同大腦區域相互「交談」的方式（包括對話的方向和強度），生成幾個相互競爭的假設。然後他們再將這些計算與他們的實驗數據進行比較，以分辨哪種假設最有可能正確。
○ 用於注意力和認知任務的工作記憶取決於三個大腦區域的同步活動（上）。當關注的對象數量超過5個，那麼模擬體驗的前額葉皮層無法跟上。左下顯示的是，當記憶目標的數量小於5個時，大腦區域可以交換模擬體驗（M）和感知信息（S），三個區域的腦電波保持同步；右下顯示的為，當記憶目標的數量大於5個時，模擬能力（M）超過負荷，該區域的信號被中斷，三個領域中的腦電波無法保持同步，從而工作記憶失效。| 圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta magazine
通過這一模型，研究人員發現這三個大腦區域就像是玩雜耍的人在進行一項複雜的接球遊戲。看起來，前額葉皮層像是建立了一個內部模型，會發送所謂的「自上而下」的信號（或反饋信號），將這一模型傳達給級別更低的大腦區域。同時，表面的額葉視區和側頂葉以「自下而上」（或前饋信號）的形式向前額葉皮層的深處發送原始感知輸入。自上而下的模型和自下而上的感知信息間的區別，讓大腦能弄清楚它正在經歷什麼，從而相應地調整其內部模型。
通過分析發現，當需要被記憶的事物數量超過猴子的工作記憶容量時，從前額葉皮層向其他兩個區域輸送的自上而下的反饋連接就會被打破，但前饋連接仍然完好。也就是說，通過模型我們發現，反饋信號的弱化導致大腦區域之間的同步性喪失。如果沒有來自前額葉皮層的預測導向信號，工作記憶的網絡就無法同步。
模型的更新
那麼新的問題是，為什麼自上而下的反饋信號會更容易隨需被記憶的事物數量的增加而受到破壞呢？研究人員的推測是，來自前額葉皮層的模擬信息基本上代表了一系列有關大腦能感知到什麼的預測，在這種情況下這些事物的內容才能被保存在工作記憶中。
許多神經科學家認為，大腦很大程度上都要依賴這種感知數據的「預測編碼」，來執行常規認知和命令功能。但是Earl Miller等人認為，當工作記憶中的事物數量過大，這些事物的可能預測的數量就不容易被編碼到反饋信號中。於是反饋失敗、超負荷的工作記憶系統崩潰。
除此之外，研究人員現在正努力將這一工作記憶模型的腦電波之間的相互作用置於更重要的位置，因為傳統的這類模型都將重點放在單個神經元的放電活動上。他們試圖弄清楚的另一個問題是，為什麼工作記憶的上限徘徊在4到5，而不是別的。Earl Miller認為，大腦在一次一個的「擺弄」這些存在於工作記憶中的事物，交替進行。這意味著所有信息都必須融入一個腦電波，當腦電波的容量被超出，就達到了工作記憶的極限。
有其他研究人員認為，這一模型是否真的強大、又能帶給我們什麼還需通過進一步的實驗證實。科學家需要真正地「進入」大腦，找到那些連接的更直接的證據。
而這一研究的潛在回報非常高。它不僅能讓我們更好地理解大腦的工作方式以及可能出現在神經疾病的問題，它對於我們所謂的「智能」、甚至是「個性」都具有重要意義。目前，人工智慧的研究更側重於前饋信號和分類算法，但有時候當系統在做一個決定時，需要基於的是它記住的內容、而非基於它所看到的，所以更好地掌握大腦的反饋連接，或許能幫助人工智慧的研究邁出重要一步。
文：Jordana Cepelewicz
譯：糖獸
原文標題為「Overtaxed Working Memory Knocks the Brain Out of Sync」，首發於2018年6月6日的QuantaMagazine。原文連結：https://www.quantamagazine.org/overtaxed-working-memory-knocks-the-brain-out-of-sync-20180606/。略有刪減。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。