來自 theatlantic
作者： Emily Singer
機器之心編譯出品
參與： 陸壓 、 viceversa 、 Fm018-龐
來自波士頓大學的一項研究表明我們的大腦可能使用同一群神經(jīng)元來表征時間和空間 ，論文發(fā)表在 《神經(jīng)》 （Neuron） 上 ，該項研究是約翰·奧基夫等人的空間定位細胞研究的延續(xù) ，而約翰·奧基夫等人 2014 年憑借空間定位細胞得了諾貝爾生理及醫(yī)學獎 。
我們的大腦具有非凡的監(jiān)測時間的能力 。一個司機可以準確地判斷黃燈變紅前還剩下多少時間夠闖過去 ，一個舞者能夠保持同一個節(jié)奏到毫秒精度 。但大腦究竟如何追蹤記錄時間仍是個謎 。研究者們已經(jīng)定位了跟運動 ，記憶 ，顏色視覺以及其它功能相關的腦區(qū) ，卻并未發(fā)現(xiàn)感知時間的 。事實上 ，我們的神經(jīng)計時器已經(jīng)難以捉摸到了這種地步 ，大多數(shù)科學家都認為這種機制是分布在整個大腦的 ，不同的腦區(qū)有不同的監(jiān)測器以根據(jù)各自需要來追蹤記錄時間 。
在過去的幾年里 ，一些研究者獲得了越來越多的證據(jù) ，表明那些監(jiān)測個體在空間中位置的細胞同時也對時間的流逝進行標記 。這意味著以在記憶和空間定位方面扮演重要角色而著稱的海馬體 （hippocampus） 和內(nèi)嗅皮層 （entorhinal cortex） 同時也起到某種計時器的作用 。
在十一月發(fā)表的一項研究中 ，波士頓大學的神經(jīng)科學家 Howard Eichenbaum 及其合作者表明 ，構成大鼠腦內(nèi) GPS 系統(tǒng)的細胞的可塑性好于預期 。這些細胞被稱作網(wǎng)格細胞 （grid cells） ，它們有著典型行為方式 ，類似于航位推算法 （譯者注： 知道當前時刻位置的條件下 ，通過測量移動的距離和方位 ，推算下一時刻位置） ，即當大鼠位于某個特定的位置時 ，某些特定的神經(jīng)元會發(fā)放動作電位 。 （做出這一發(fā)現(xiàn)的科學家分享了 2014 年的諾貝爾獎） 。Eichenbaum 發(fā)現(xiàn) ，當大鼠被保持在原地 ，譬如當它跑步機上跑動時 ，這些細胞對距離和時間都進行追蹤記錄 。這項工作顯示大腦對空間和時間的感知是相互交織的 。
這些發(fā)現(xiàn)有助于拓展我們對大腦的記憶和導航系統(tǒng)工作機制的理解 。或許網(wǎng)格細胞 （grid cells） 和其他類似 GPS 的細胞都不僅響應空間變化 ，而且能夠編碼任何相關的性質(zhì)： 時間 ，氣味 ，甚至味道 。 「這可能指向海馬體的一個很寬泛的功能， 」 加州大學舊金山分校研究記憶和海馬體的神經(jīng)科學家 Loran Frank 這樣說道 。 「它找出編碼經(jīng)歷的關鍵神經(jīng)元群體 ，隨后把經(jīng)歷映射到其上。 」
接下來這些映射構建起記憶的框架 ，為我們永不止歇地流淌著的過去經(jīng)驗提供一個組織系統(tǒng) 。 「海馬體就是記憶在時間和空間中了不起的組合者 ， 」 Eichenbauma 說 ， 「它提供一個時空框架 ，其他的事件都在這個框架下發(fā)生。 」
為了研究海馬體如何監(jiān)測時間 ，科學家們讓大鼠在滾輪或小跑步機上跑動 。 這種裝置能夠讓大鼠的位置和行為保持恒定 ，使研究者得以專注于跟時間相關的神經(jīng)信號 。 （大鼠總是煩躁 ，無法靜止不動 ，因此跑動有助于排除它們平時焦躁不安的行為的干擾。 ） 當不同細胞發(fā)放動作電位時 ，深深植入在腦中的電極會記錄到它們 。
在 Eichenbaum 的實驗中 ，大鼠在跑步機上跑動一定長的時間 ，譬如說 15 秒 ，隨后獲得獎勵 。在一次次重復的過程中 ，它的大腦學習追蹤記錄這個 15 秒的時間間隔 。一些神經(jīng)元在第一秒發(fā)放 ，另一些在第二秒 ，以此類推 ，直到 15 秒結束 。 「每個細胞會在跑動時間中的不同時刻發(fā)放 ，直到它們填滿整個時間間隔， 」 Eichenbaum 說道 。這種編碼相當精確 ，研究者們能夠通過僅僅觀察哪些細胞是活躍的來預測動物在跑臺上跑了多久 。Eichenbaum 的團隊也在不同的跑步機速度下重復了這些實驗 ，以確認這些細胞并不是在簡單地標記跑動的距離 。 （一些細胞的確也追蹤距離 ，但有一些似乎完全只跟時間有關。 ）
來自 theatlantic
作者： Emily Singer
機器之心編譯出品
參與： 陸壓 、 viceversa 、 Fm018-龐
來自波士頓大學的一項研究表明我們的大腦可能使用同一群神經(jīng)元來表征時間和空間 ，論文發(fā)表在 《神經(jīng)》 （Neuron） 上 ，該項研究是約翰·奧基夫等人的空間定位細胞研究的延續(xù) ，而約翰·奧基夫等人 2014 年憑借空間定位細胞得了諾貝爾生理及醫(yī)學獎 。
我們的大腦具有非凡的監(jiān)測時間的能力 。一個司機可以準確地判斷黃燈變紅前還剩下多少時間夠闖過去 ，一個舞者能夠保持同一個節(jié)奏到毫秒精度 。但大腦究竟如何追蹤記錄時間仍是個謎 。研究者們已經(jīng)定位了跟運動 ，記憶 ，顏色視覺以及其它功能相關的腦區(qū) ，卻并未發(fā)現(xiàn)感知時間的 。事實上 ，我們的神經(jīng)計時器已經(jīng)難以捉摸到了這種地步 ，大多數(shù)科學家都認為這種機制是分布在整個大腦的 ，不同的腦區(qū)有不同的監(jiān)測器以根據(jù)各自需要來追蹤記錄時間 。
在過去的幾年里 ，一些研究者獲得了越來越多的證據(jù) ，表明那些監(jiān)測個體在空間中位置的細胞同時也對時間的流逝進行標記 。這意味著以在記憶和空間定位方面扮演重要角色而著稱的海馬體 （hippocampus） 和內(nèi)嗅皮層 （entorhinal cortex） 同時也起到某種計時器的作用 。
在十一月發(fā)表的一項研究中 ，波士頓大學的神經(jīng)科學家 Howard Eichenbaum 及其合作者表明 ，構成大鼠腦內(nèi) GPS 系統(tǒng)的細胞的可塑性好于預期 。這些細胞被稱作網(wǎng)格細胞 （grid cells） ，它們有著典型行為方式 ，類似于航位推算法 （譯者注： 知道當前時刻位置的條件下 ，通過測量移動的距離和方位 ，推算下一時刻位置） ，即當大鼠位于某個特定的位置時 ，某些特定的神經(jīng)元會發(fā)放動作電位 。 （做出這一發(fā)現(xiàn)的科學家分享了 2014 年的諾貝爾獎） 。Eichenbaum 發(fā)現(xiàn) ，當大鼠被保持在原地 ，譬如當它跑步機上跑動時 ，這些細胞對距離和時間都進行追蹤記錄 。這項工作顯示大腦對空間和時間的感知是相互交織的 。
這些發(fā)現(xiàn)有助于拓展我們對大腦的記憶和導航系統(tǒng)工作機制的理解 。或許網(wǎng)格細胞 （grid cells） 和其他類似 GPS 的細胞都不僅響應空間變化 ，而且能夠編碼任何相關的性質(zhì)： 時間 ，氣味 ，甚至味道 。 「這可能指向海馬體的一個很寬泛的功能， 」 加州大學舊金山分校研究記憶和海馬體的神經(jīng)科學家 Loran Frank 這樣說道 。 「它找出編碼經(jīng)歷的關鍵神經(jīng)元群體 ，隨后把經(jīng)歷映射到其上。 」
接下來這些映射構建起記憶的框架 ，為我們永不止歇地流淌著的過去經(jīng)驗提供一個組織系統(tǒng) 。 「海馬體就是記憶在時間和空間中了不起的組合者 ， 」 Eichenbauma 說 ， 「它提供一個時空框架 ，其他的事件都在這個框架下發(fā)生。 」
為了研究海馬體如何監(jiān)測時間 ，科學家們讓大鼠在滾輪或小跑步機上跑動 。 這種裝置能夠讓大鼠的位置和行為保持恒定 ，使研究者得以專注于跟時間相關的神經(jīng)信號 。 （大鼠總是煩躁 ，無法靜止不動 ，因此跑動有助于排除它們平時焦躁不安的行為的干擾。 ） 當不同細胞發(fā)放動作電位時 ，深深植入在腦中的電極會記錄到它們 。
在 Eichenbaum 的實驗中 ，大鼠在跑步機上跑動一定長的時間 ，譬如說 15 秒 ，隨后獲得獎勵 。在一次次重復的過程中 ，它的大腦學習追蹤記錄這個 15 秒的時間間隔 。一些神經(jīng)元在第一秒發(fā)放 ，另一些在第二秒 ，以此類推 ，直到 15 秒結束 。 「每個細胞會在跑動時間中的不同時刻發(fā)放 ，直到它們填滿整個時間間隔， 」 Eichenbaum 說道 。這種編碼相當精確 ，研究者們能夠通過僅僅觀察哪些細胞是活躍的來預測動物在跑臺上跑了多久 。Eichenbaum 的團隊也在不同的跑步機速度下重復了這些實驗 ，以確認這些細胞并不是在簡單地標記跑動的距離 。 （一些細胞的確也追蹤距離 ，但有一些似乎完全只跟時間有關。 ）
這些細胞的行為酷似秒表—每次你開始計時 ，同樣神經(jīng)活動模式就出現(xiàn) 。
這些被叫做 「時間細胞 （time cells） 」 的神經(jīng)元顯然能夠標記時間 ，然而它們是如何做到這一點的尚不清楚 。這些細胞的行為酷似秒表——每當你開始計時 ，同樣的神經(jīng)活動模式就會出現(xiàn) 。當研究者們改變實驗條件 ，譬如說把跑動的持續(xù)時間從 15 秒增加到 30 秒時 ，海馬體中的細胞就會創(chuàng)造一個新的發(fā)放模式填滿這個新的時間區(qū)間 。這就設置秒表來適應各種不同的時間尺度 。
此外 ，時間細胞的活動依賴于情景 。當動物面臨時間起重要作用的情況時 ，這些細胞才標記時間 。當其他變量起作用時 ，這些細胞的表現(xiàn)就會不同 。比如說 ，我們讓老鼠去探索一個新環(huán)境 ，這些時間細胞就會映射到空間上去 （而非時間） ； 單個特定的時間細胞會被動物所處的特定位置激活 ，而不是在特定的時間激活 。
所以 ，Eichenbaum 的工作與神經(jīng)科學 15 年來研究趨勢契合 ，顯示出海馬比科學家預期的更加多能 。傳統(tǒng)研究認為它可以繪制方位圖 （40 年前發(fā)現(xiàn)了位置編碼細胞） ，但越來越多的證據(jù)表明 ，它也可以編碼其他類型的信息 。最新的研究圖景表明 ，位置細胞不僅能映射空間 ，還對應其它相關的變量 。包括時間 ，還有其它可能 。比如根據(jù) Frank 的說法 ， 「品酒師 （的海馬） 或許有酒的味道和氣味的編碼空間。 」
但許多科學家仍把海馬大體上視作空間結構 。按照他們的觀點 ，其神經(jīng)環(huán)路經(jīng)過演化適合追蹤記錄位置 ，其它信息都只是記錄空間位置的基礎上 。加州大學爾灣分校的神經(jīng)科學家 Bruce McNaughton 說： 「海馬體所提供的編碼 ，在本質(zhì)上是空間性質(zhì)的。 」
雖然 Eichenbaum 的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了這一觀點 ，他們并不回避 。 「我們能明確的是 ，位置細胞可以代表空間之外的信息， 」 約翰霍普金斯大學的神經(jīng)科學家 David Foster 說 。 「但不那么清楚的是 ，他們是否可以編碼單純的時間流逝。 」
在計時的跑步機實驗中 ，大鼠似乎在做計數(shù)之類的事情 。但這些細胞是否標記了時間本身的流逝 ，還是對僅僅看起來像時間的什么東西做出反應？ 「我們不知道什么原理驅(qū)使細胞在特定的時刻被激活 ，但我不認為是由于時間， 」 Eva Pastalkova 說 ，她是霍華德休斯醫(yī)學研究所 Janelia 研究園區(qū)的神經(jīng)科學家 （弗吉尼亞州） 。 「因為這不夠精確 ，它們不像是滴答作響的時鐘。 」
「大腦中有沒有神經(jīng)元專門負責記錄時間？ 」
Gy?rgy Buzsáki 是紐約大學神經(jīng)科學研究所的神經(jīng)科學家 ，他的實驗室做了不少開創(chuàng)性的實驗 ，探索海馬體如何追蹤記錄時間 。他提出 ，這些細胞不是在檢測時間 ，可能只是在做其它的事 ，比如回憶一條穿過迷宮的路 ，或者計劃下一步行動 。回憶和打算未來都是在時間維度上進行的 ，所以時間細胞可能只是在反映這種精神活動 。
「我認為這是頭等問題： 大腦中有沒有神經(jīng)元專門負責記錄時間 ，不干別的？ 」 Gy?rgy Buzsáki 說 ， 「還是說 ，所有的神經(jīng)元的運作都能按照序列發(fā)生 ，在此實驗中這些功能可以被理解成時間？ 」
- 附論文摘要 -
在跑動過程中 ，網(wǎng)格細胞整合逝去的時間和跑過的距離
論文作者： Kraus BJ, Brandon MP, Robinson RJ 2nd, Connerney MA, Hasselmo ME, Eichenbaum H.
摘要： 網(wǎng)格細胞的空間尺度可以由自身產(chǎn)生的運動信息提供 ，或者是來自從外部環(huán)境的感覺信息 。為了確定網(wǎng)格細胞的活動是否與外界信息無關的反映了跑過的距離或著逝去的時間 ，我們記錄了跑步機上跑動的大鼠腦中網(wǎng)格細胞的活動 。此時 ，網(wǎng)格細胞的活動受到位置影響應該很微弱 ，但同一組電極上記錄到的大多數(shù)網(wǎng)格細胞和其它神經(jīng)元大批強烈地反映了距離和時間的組合 ，也有一些僅反應距離或時間 。比起非網(wǎng)格細胞 ，網(wǎng)格細胞受時間和距離的調(diào)諧更為強烈 。在跑步機上運行時 ，許多網(wǎng)格細胞表現(xiàn)出多個放電域 ，同時也觀察到其周期性的激活 ，提示存在一種共同的信息處理模式 。這些觀察結果表明 ，在沒有外部動態(tài)線索的情況下 ，網(wǎng)格細胞整合自身產(chǎn)生的距離和時間信息以編碼表征經(jīng)驗 。
本文由機器之心原創(chuàng)編譯 ， 轉(zhuǎn)載請聯(lián)系本公眾號獲得授權 。
