在你從Café的菜單板上讀取Wi-Fi密碼和你回到筆記本電腦輸入密碼之間，你必須把它記在心里。如果你想知道你的大腦是如何做到這一點的，那么你問的是一個研究人員幾十年來一直在努力解釋的關(guān)于工作記憶的問題。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家發(fā)表了一項重要的新見解，來解釋它是如何工作的。

在一項發(fā)表在PLOS Computational Biology的研究中，皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所的科學(xué)家們比較了動物在執(zhí)行工作記憶任務(wù)時腦細胞活動的測量結(jié)果與各種計算機模型的輸出結(jié)果，這些模型代表了記憶信息的兩種基本機制理論。研究結(jié)果強烈支持一種新的觀點，即神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)通過對它們的連接模式(或突觸)進行短暫的改變來存儲信息，并與傳統(tǒng)的替代觀點相矛盾，即記憶是由神經(jīng)元保持持續(xù)活躍(就像空轉(zhuǎn)的發(fā)動機)來維持的。

雖然這兩種模型都允許將信息牢記于心，但只有允許突觸短暫改變連接的版本(“短期突觸可塑性”)產(chǎn)生的神經(jīng)活動模式模擬了在實際大腦工作時實際觀察到的情況。資深作家Earl K. Miller承認，腦細胞通過始終“開啟”來維持記憶的想法可能更簡單，但它不能代表大自然在做什么，也不能產(chǎn)生復(fù)雜的思維靈活性，而這種靈活性可以由短期突觸可塑性支持的間歇性神經(jīng)活動產(chǎn)生。

麻省理工學(xué)院大腦與認知科學(xué)系(BCS)的皮考爾神經(jīng)科學(xué)教授Miller說:“你需要這些機制來給工作記憶活動提供靈活的自由。如果工作記憶只是一種單獨的持續(xù)活動，那么它就像一個電燈開關(guān)一樣簡單。但是工作記憶和我們的思想一樣復(fù)雜和動態(tài)。”

聯(lián)合第一作者Leo Kozachkov去年11月在麻省理工學(xué)院獲得了博士學(xué)位，他的理論建模工作包括這項研究。他說，將計算機模型與現(xiàn)實數(shù)據(jù)相匹配是至關(guān)重要的。

“大多數(shù)人認為工作記憶‘發(fā)生’在神經(jīng)元中——持續(xù)的神經(jīng)活動會產(chǎn)生持續(xù)的想法。然而，這一觀點最近受到了審查，因為它與數(shù)據(jù)并不完全一致，”Kozachkov說，他的共同資深作者Jean-Jacques Slotine是BCS和機械工程教授。“利用具有短期突觸可塑性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們證明了突觸活動(而不是神經(jīng)活動)可以成為工作記憶的基礎(chǔ)。從我們的論文中得到的重要結(jié)論是:從定量意義上講，這些‘塑料’神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更像大腦，而且在魯棒性方面也有額外的功能優(yōu)勢。”

模型與自然的匹配  

Kozachkov與麻省理工學(xué)院的研究生John Tauber共同撰寫了這項研究，他們的目標(biāo)不僅是確定工作記憶信息是如何被記住的，而且還闡明了大自然實際上是如何做到這一點的。這意味著在動物玩工作記憶游戲時，要從“基本事實”測量動物前額葉皮層數(shù)百個神經(jīng)元的電“峰值”活動開始。在許多回合中，每一輪都向動物展示一個圖像，然后消失。一秒鐘后，它會看到兩張圖片，包括原作，它必須看原作來獲得一點獎勵。關(guān)鍵時刻是中間的那一秒，稱為“延遲期”，在此期間，必須在測試之前記住圖像。

該團隊一直觀察到Miller實驗室之前多次看到的情況:看到原始圖像時，神經(jīng)元會大量激增，在延遲期間只會間歇性地激增，然后在測試期間必須回憶圖像時再次激增(這些動態(tài)由β頻率和伽馬頻率腦節(jié)律的相互作用控制)。換句話說，當(dāng)信息必須最初存儲和必須回憶時，峰值是強烈的，但當(dāng)信息必須保持時，峰值是零星的。在延遲期間峰值不是持續(xù)的。

此外，研究小組還訓(xùn)練了軟件“解碼器”，從峰值活動的測量中讀出工作記憶信息。當(dāng)峰值高時，他們是高度準(zhǔn)確的，但當(dāng)峰值低時，就不是這樣了。這表明峰值并不代表延遲期間的信息。但這提出了一個關(guān)鍵的問題:如果峰值不能記住信息，那什么能?

包括牛津大學(xué)的Mark Stokes在內(nèi)的研究人員提出，突觸的相對強度或“權(quán)重”的變化可以存儲信息。麻省理工學(xué)院的團隊通過計算建模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來測試這一想法，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了每個主要理論的兩個版本。與真正的動物一樣，機器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練來執(zhí)行相同的工作記憶任務(wù)，并輸出也可以由解碼器解釋的神經(jīng)活動。

結(jié)果是，允許短期突觸可塑性編碼信息的計算網(wǎng)絡(luò)在實際大腦增加時增加，而在實際大腦沒有增加時沒有增加。以持續(xù)峰值作為維持記憶方法的網(wǎng)絡(luò)一直在峰值，包括自然大腦沒有峰值的時候。解碼器的結(jié)果表明，在突觸可塑性模型中，準(zhǔn)確性在延遲期間下降，但在持續(xù)尖峰模型中保持非自然的高。

在另一層分析中，研究小組創(chuàng)建了一個解碼器，從突觸權(quán)重中讀出信息。他們發(fā)現(xiàn)，在延遲期間，突觸代表了工作記憶信息，而峰值則沒有。

Kozachkov說，在以短期突觸可塑性為特征的兩個模型版本中，最現(xiàn)實的一個被稱為“PS-Hebb”，其特點是一個負反饋循環(huán)，保持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和健壯。

工作記憶的運作  

除了更好地匹配自然之外，突觸可塑性模型還賦予了其他可能對真實大腦很重要的好處。其中之一是，即使在多達一半的人造神經(jīng)元被“消融”后，可塑性模型仍然保留了突觸權(quán)重中的信息。持久活動模型在失去10- 20%的突觸后就崩潰了。而且，Miller補充說，偶爾扣球比持續(xù)扣球消耗的能量要少。

此外，Miller說，快速爆發(fā)的峰值而不是持續(xù)的峰值會在記憶中為存儲多個項目留下時間空間。研究表明，人們在工作記憶中最多能記住四件不同的事情。Miller的實驗室計劃進行新的實驗，以確定當(dāng)動物必須記住多個事物而不僅僅是一個圖像時，具有間歇性峰值和基于突觸權(quán)重的信息存儲的模型是否與真實的神經(jīng)數(shù)據(jù)相匹配。

除了Miller、Kozachkov、Tauber和Slotine，這篇論文的其他作者是Mikael Lundqvist和Scott Brincat。

Robust and brain-like working memory through short-term synaptic plasticity