大腦如何存儲信息?

2020-11-29 新華網客戶端

說到工作記憶,很多人搖搖頭,表示陌生。但對於電影《夏洛特煩惱》的這個片段,想必許多人記憶猶新。

夏洛:大爺,樓上322是馬冬梅家嗎?

大爺:馬冬什麼?

夏洛:馬冬梅。

大爺:什麼冬梅啊?

夏洛:……行,大爺,您先涼快吧。

事實上,電影中這位一個名字聽了多遍仍記不住的「打岔」大爺,就是工作記憶不好的一個典型。

到底什麼是工作記憶?用科學家們的表述,即大腦在秒級尺度內存儲和操縱信息的一種基本認知功能。比如,在腦中進行數學運算、閱讀、思考、語言的學習等。這些我們日常生活中經常使用到的能力就是工作記憶。

「工作記憶」的特點可以概括為:第一,時間短,存在的時間以秒級計;像電腦的緩存,如果信息不被使用,就會隨著時間自然衰減。第二,容量有限,科學家們認為一般人的「工作記憶」長度是5至9個記憶單元。第三,抗幹擾,存在並行信息或者無關幹擾時,依然可以維持原記憶信息。

但大腦是如何在工作記憶中存儲信息的呢?日前,《神經元》期刊在線發表的一篇研究論文給出了答案:中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)李澄宇研究組發現,瞬時性神經元,而非持續性神經元,是負責在工作記憶的過程中存儲信息的關鍵組分。換句話說,在當前實驗條件下,大腦更傾向於通過瞬時性編碼的神經機制在工作記憶中存儲信息。

「此前,經過大約半個世紀的研究,科學家認為,大腦在工作記憶中存儲信息存在兩種可能的神經機制:一、持續性編碼;二、瞬時性編碼。」中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員李澄宇介紹,前者認為,大腦只需要通過少量的神經元持續性放電就可以存儲信息;而後者認為,大腦更傾向於調用大量的神經元通過瞬時性放電來存儲信息。

雖然,前人基於電生理記錄的相關性研究表明,這兩種信息編碼的方式均可能發揮作用,但仍沒有研究直接比較這兩種信息編碼方式與工作記憶行為調控的對應關係。

向著未知的方向挺進,李澄宇帶領團隊綜合應用行為學、光遺傳、電生理等手段,對這一問題展開了深入研究。

初步的實驗結果提示,瞬時性神經元,而非持續性神經元,與小鼠執行工作記憶的行為表現水平有更緊密的關聯,即瞬時性編碼的神經機制更有可能負責在工作記憶中存儲信息。

事實果真如此嗎?為進一步驗證這一結論,研究人員又設計了一組實驗。這組實驗的基本邏輯在於,通過在工作記憶過程中人為加入不同的幹擾性刺激,並監測瞬時性和持續性神經元與小鼠抵抗外部幹擾刺激能力的關聯性,進而推測是哪種神經元類群負責在工作記憶中存儲信息。

結果顯示,當小鼠成功抵抗較弱幹擾時,瞬時性神經元的比例顯著增加。相反,如果沒能有效抵抗複雜的幹擾性刺激時,瞬時性神經元的比例也沒有出現相應上升。而在兩組實驗中,持續性神經元的比例都沒有發生任何顯著變化。

「這一結果提示,瞬時性神經元可以用於抵抗外部幹擾性刺激,從而保證大腦能夠準確存儲任務相關信息,進而成功地執行任務。」李澄宇表示。

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