原創 物離 神經前研
經驗能否抽象
在新型冠狀病毒肆虐全球之際，不少人都宅在家裡很久了。除了看著體重秤上日漸增加的數字外，對吃抱有執念的你一定也開始嘗試學習自己製作美食。學做菜似乎並不是一件容易的事兒。由於食材千變萬化，每種食材的處理方式也各不相同；烹飪方式中西結合，煎、炸、蒸、煮、烤也要靈活選擇；偏好的口味也因人而異，香辣、椒麻、糖醋、鹹鮮不一而足。學習每一道菜的製作方式似乎很難，但是我們做幾道菜後就能夠學到製作美食的最一般規律：那就是無論做什麼菜，我們都要經歷處理食材、下鍋烹飪、調味上色、起鍋裝盤這麼幾步。正因為如此，我們才能自信滿滿地對以前從未踏入過廚房的自己宣稱：「看，我學會了做菜。」
我們經歷過什麼、做過什麼，這些都會被大腦的記憶系統記錄下來。並且這類記錄日常生活中某種特定事件的「經驗性」記憶，和「中國的首都是北京」這類「知識性」記憶是不一樣的。後者由於和事實相關，我們常常將其命名為語義記憶（Semantic Memory），而開始提到的這種日常經驗式的記憶，則由圖爾文（Tulving）在1972年命名為情景記憶（Episodic Memory）。這種情景記憶是對我們日常生活所經歷事件的記錄，包含了大量時間、空間以及感官信息。已有研究表明，大腦中的海馬（hippocampus）神經元能夠記錄時空和感官的持續變化——海馬正是我們得以儲存並提取情景記憶的關鍵。
但是問題來了，我們總是要面對我們從未見過的全新情況。正如我們學習做菜一樣，即使我們學會了爸爸的所有拿手菜，但是時不時還是會遇上全新的、我們從未接觸過的菜餚。要學會做菜，實際上就是一個「舉一反三」的過程——我們必然要從過去的經歷中總結出一般的抽象規律來應對嶄新的情況。而我們可以將這種抽象規律，視作一個個離散的經驗單元。那麼，大腦的神經系統是如何編碼這種離散的經驗單元，及其之間的抽象關係的呢？最近一篇發表在《自然-神經科學》上的研究就探討了這個問題。
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在這項研究中，曾獲諾貝爾獎的利根川（Tonegawa）的研究團隊發現，在小鼠的海馬中，有一種特殊的神經元活動，能夠將事件表徵為離散經驗單元的組合。簡單來說，小鼠的海馬可以將生活經歷整理成離散的事件單元，就好像我們能把做菜相關經驗分解成洗、切、烹、調，再根據實際情況來組合。這說明，在忽略小鼠在各種同類事件中體驗到的連續時空變化和不同感官刺激的前提下，這類事件仍然能夠由一種離散的經驗單元間穩定、有序的抽象關系所定義。研究者進一步指出，小鼠能夠將這些經驗單元的神經表徵推廣到同類任務中，並且他們還證明了這種神經活動能夠和連續的空間活動在同一細胞中各自獨立地表達。
現在，我們不妨代入實驗中小鼠的視角，來看看研究者們是如何得出這一系列結論的。
小鼠們的自述
我是M1，是一隻出生在實驗室的小白鼠，我和我的兄弟姐妹從出生開始就與兩腳獸為伴。今天我們成熟了，兩腳獸們似乎要帶我們去做一些有意思的事情。我們被帶到了一條正方形的跑道上，兩腳獸們訓練著我們在跑道上奔跑，這對聰明的我們並不是什麼難事兒。在我們會跑步之後，一隻兩腳獸給我們帶上了一個頭盔，這個頭盔不重，就像長在我們頭上一樣，並不影響我們在跑道上奔跑。
據說，這個頭盔能監控並記錄到我們跑步時海馬神經元的反應，可真夠神奇。不過我管不了這些，我只需要在跑道上奔跑就行了，因為我每在跑道上跑完四圈，我就能獲得一次食物的獎勵，第一圈時有獎勵，後面三圈沒有，等再跑一圈就又有獎勵了。其實我一開始也是不知道的，所以我每跑完一圈都會去給獎勵的地方等著，直到我發現了這個規律——每跑四圈就有一個獎勵，要獲得獎勵必須經歷四次獨立的事件單元：第一圈、第二圈、第三圈和第四圈。
兩腳獸在觀察我跑圈時的海馬神經元反應，他們好像特別興奮，因為他們發現我的海馬CA1區的神經元除了對我跑到了特定位置敏感之外，似乎對我跑的圈數也很關心。第一個結論已經有其他兩腳獸發現了（參見「大腦中的GPS」相關研究，John O』Keefe、May-Britt Moser和 Edvard I. Moser因為發現大腦中負責定位的細胞而獲得2014年諾貝爾生理學或醫學獎），而第二個結論中，這個對圈數敏感的神經活動模式，則是第一次被發現。他們還把這種神經活動模式稱作特定事件發放率重映射（event-specific rate remapping, ESR）。
M1
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Sun, C., Yang, W., Martin, J., Tonegawa, S. (2020). Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663.
我是M2，昨天有一批我的同伴被帶走了，他們回來時兩腳獸帶著它們說做了很有趣的遊戲，還有獎勵的食物吃，我知道今天輪到我了。聽說兩腳獸們昨天發現了特殊的ESR活動模式，今天他們想證明點新東西。因為昨天雖然從M1那裡證明了ESR是和我們所處位置不一樣的一種神經活動，但是這種活動是否和空間完全無關，只和事件相關呢？兩腳獸的想法我當然不懂，不過我也很快適應了帶著頭盔在正方形跑道中跑步，但接下來的事情和我昨天聽說的有些不同。
在我獲得第一次獎勵之後，我發現跑道不再是固定不變的正方形，而是正方形短（S）跑道和將邊長延長後的長方形長（L）跑道的隨機組合，這樣的話我的空間定位系統就很難幫我預測我接下來要跑的是短跑道還是長跑道。儘管如此，我還是能夠意識到，不管是長跑道還是短跑道，只要我在獲得獎勵後再跑完四圈就能再次獲得獎勵。兩腳獸們看著我們的海馬神經元反應若有所思，他們發現在空間變化預測失效後，仍然有相當數量的細胞保持了ESR反應，這似乎說明我們確實是把「跑一圈」當作了與空間感知獨立的經驗單元。
M2
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Sun, C., Yang, W., Martin, J., Tonegawa, S. (2020). Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663.
我是M3，今天兩腳獸們又來了，錯過了前兩次遊戲的我被選中了。今天的遊戲和我聽到前輩們說的又不一樣。剛開始，我還是帶著頭盔在正方形跑道中跑步，在我完全掌握獲得食物獎勵的規律後，兩腳獸們把我帶到了一組新的跑道上。這次跑道從正方形變成了圓形，我有些無所適從，但還是很想獲得獎勵。於是在這個陌生的環境中，我嘗試用正方形跑道中學到的規律來應對現在的圓形跑道，同樣跑了四圈後，在獎勵處等待獎勵。幸運的是，獎勵真的出現了！兩腳獸們看著頭盔中記錄到的神經元活動再次歡呼雀躍，原來這種ESR活動模式能夠遷移到陌生的情景中！
M3
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Sun, C., Yang, W., Martin, J., Tonegawa, S. (2020). Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663.
我是M4和我的弟弟M5，聽說今天又有新的遊戲了，我們兄弟倆很主動地跟著兩腳獸們來到了那個空曠的廣場。今天一開始我們進行的仍是那個老生常談的遊戲——戴著頭盔在正方形跑道上跑步，每跑四圈就能獲得獎勵。在隨後的遊戲中，我們被分成了兩組。我繼續在正方形的跑道上跑步，但是這次我運氣比較好，在我跑的第二圈、第三圈和第四圈都和第一圈一樣獲得了食物的獎勵，接下來的每一圈也都有食物獎勵——我馬上把一開始學到的「四圈一獎」規則忘掉了。我的弟弟M5好像沒我這麼好運。
聽說，他按照一開始學到的規律跑完四圈後沒有獲得應有的獎勵，而是最後又多跑了一圈才得到了獎勵。他在後面的遊戲中很困惑，不知道應該怎麼辦，以至於到最後分不清自己跑的到底是第幾圈。兩腳獸們看著這個結果很是滿意，總結道，一旦把標準任務中每一圈作為經驗單元間的序列關係打破了，對在正方形內跑四圈就能夠獲得獎勵這一事件的ESR反應也就消退了很多。這說明ESR的反應其實是對組成一個完整事件的經驗單元及其之間的序列關係的表徵。
M4、M5
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Sun, C., Yang, W., Martin, J., Tonegawa, S. (2020). Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663.
我是M6，這個遊戲仍在繼續著。聽之前玩完遊戲的M2和M3回來說，陪它們玩遊戲的兩腳獸通過改變跑道的長度和形狀，發現在它們海馬CA1區的神經元中ESR活動和空間相關的活動互不相關。但是現在兩腳獸們還想進一步找到這兩者在神經元中各自獨立的直接證據，便把我帶到了今天的遊戲中。
在這個遊戲裡，我除了被戴上了頭盔，還被注射了奇怪的藥劑。據說這種藥劑能夠作用於我們海馬CA1區域中的內側內嗅皮質（MEC）軸突末端，通過光控的方式操縱著來自MEC輸入信息的表達。由於之前有其他兩腳獸們證明了海馬的MEC輸入與感覺經驗的順序組織有關，所以當這種輸入被阻斷時我們海馬CA1區的神經元反應也許會受到影響。我被安排在光照（MEC失活）和沒有光照（MEC未失活）兩種不同的條件下交替跑圈。由於注射了藥劑，我的腦袋變得昏昏沉沉，特別是在光照條件下，對自己跑了幾圈沒什麼概念，但是儘管如此我卻還是能夠辨明方向，不至於迷路。
兩腳獸們看到我的海馬CA1區的神經元活動很是高興——在來自MEC上遊的信息被阻斷後，我的海馬CA1區細胞的空間相關的神經活動並未受到影響，但ESR的活動卻發生了很大改變。這個結果正意味著ESR活動和空間相關活動在同一細胞中同時進行著，但彼此之間相互獨立，各自表徵。
M6
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Sun, C., Yang, W., Martin, J., Tonegawa, S. (2020). Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663.
我是M7，聽說今天兩腳獸們的工作已經步入尾聲，我很幸運地被選中來體驗今天最後的遊戲。在這個最後的遊戲中，我仍然需要帶著頭盔在正方形的跑道中跑步。但今天的跑道非常特殊，兩腳獸們竟然在正方形的第一個邊上，放置了一架跑步機。這讓我在這條邊上花了更多的時間，以至於每一圈的絕大部分時間都浪費在了那條傳送帶上。
兩腳獸的想法總是令我困惑，不過又何必想這麼多，因為我依舊知道不管我在同一個地點要打轉多久，只要跑完四圈就能獲得獎勵。之後我才發現，在這種特殊的跑道上，我也趕上了那種每跑一圈就有獎勵的好事兒。因此，我之前學到的經驗也不再起作用。兩腳獸們看著我在傳送帶上奔跑時的海馬神經元活動，滿意地笑了。
在這種情況下，經驗產生的過程中，主要變化並不是空間變化，因為在那麼長的一段時間內，我們所處的空間位置幾乎沒變，但仍有20%左右的ESR活動模式被保留。與之相比，在每圈都給予獎勵後，這個數值下降到了6%。這說明，海馬細胞的神經活動對經驗的追蹤以一種聯合的方式發生，這種方式包括特定於事件本身的表徵和追蹤連續變化的表徵，即使這種連續的經驗變化在本質上是非空間的。
M7
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Sun, C., Yang, W., Martin, J., Tonegawa, S. (2020). Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663.
記憶、抽象，和演化史的波瀾
儘管小鼠在自然狀態下的活動不像遊戲裡這般嚴格操縱，但是通過小鼠們的「自述」，我們不難發現，小鼠也許能夠把同類事件中既定的不變規則抽象出來，並且能夠將這種規則用於新的環境。這和我們人類學習過程中舉一反三的能力很相似。在面對全新的情景時，過去經驗中的經驗單元及其之間的關係，就由海馬CA1區神經元的ESR活動表達了出來。或許正是藉助了這種抽象的「經驗性」知識，我們才能夠舉一反三地解決那些我們從未經歷過、但又似曾相識的問題。
當我們進一步去思考這個問題的時候，仿佛能窺見些許生命演化的秘密。當生命最早出現在這個藍星上的時候，還是以單細胞或者聚合細胞的形式存在，它們演化出了各種形態以適應各種環境。但是這些生命很脆弱，一旦遭遇了從未遇到過的全新境況，就只有那些能適應當前新環境的個體能夠存活，而此時生命演化的代價是生命本身。
後來，隨著神經元和神經網絡的演化，每當一種新環境出現，神經網絡便對新環境中的事件信息進行特定編碼，同時還能從以往事件經驗的神經表徵中，對當前環境中應採取的反應模式進行預測，從而在最大程度上對當前的情況做出恰當的反應。當我們積累的抽象經驗越來越多，複雜的神經網絡能夠建立的預測模型也愈發精細，而這樣一個精細的模型也能夠被用於更加複雜的問題。
小鼠在跑圈時獨特的ESR活動，和我們在學習做菜時的舉一反三，其實都是抽象分別在神經層面和行為層面的表現形式。從傳統計算機遍歷檢索式的智能，到現在基於神經網絡學習的人工智慧，再到真正生物大腦所表現出的智能，我們不難發現，當智能程度越來越高的時候，抽象思維也在其中扮演著越來越重要的角色。也許我們很難體會到，但抽象的能力可能正是智能的最偉大成就之一。
或許正是有了能夠從眾多的具體事物中抽取共同的、本質的屬性，同時捨棄個別的、非本質的屬性的能力，我們才能發展出概念系統，用抽象的語言文字符號進行交流和記錄。而或許正是通過抽象思維，我們才能去思考公平、道德這樣的非實體對象，從而為建立起偉大的社會文明提供了信念基礎。從小鼠跑圈時的大腦神經活動到生命演化、文明建立的奧秘，這其中蘊含的是偉大的歷史波瀾。
作者：物離 | 封面：Eva Vázquez
審校：顧金濤，阿莫東森 | 排版：酸酸
參考文獻
Tulving, E. (1983). Elements of episodic memory. Oxford University Press.
O』Keefe, J. & Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely‐moving rat. Brain Research 34, 171-175.
O』Keefe, J. (1976). Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Experimental Neurology 51, 78-109.
Fyhn, M., Molden, S., Witter, M.P., Moser, E.I. & Moser, M.B. (2004) Spatial representation in the entorhinal cortex. Science 305, 1258-1264.
Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.B. & Moser, E.I. (2005). Microstructure of spatial map in the entorhinal cortex. Nature 436, 801-806.
Sun, C., Yang, W., Martin, J., Tonegawa, S. (2020). Hippocampal neurons represent events as transferable units of experience. Nat Neurosci 23, 651–663.
原標題：《《自然-神經科學》：我們如何能夠「舉一反三」？》
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