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2022北京冬奧會上

不論是冰面上精湛的動作細節(jié)

跳臺外挑戰(zhàn)極限的轉體技巧

還是雪地里超群的控制能力

運動健兒們不斷超越自我

創(chuàng)下新紀錄，突破新高度

運動員們?nèi)绾斡洃浝щy動作

并按照順序，精準完成

人類又是如何在腦中處理復雜信息？

近日，北大生命科學學院教授唐世明課題組與合作者

在Science發(fā)表研究論文

揭示了大腦序列記憶的編碼機制

為我們解答了這一問題

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聽唐教授講解運動員記憶復雜動作的大腦原理

2022年2月8日，中國選手谷愛凌在北京冬奧會自由式滑雪女子大跳臺決賽中，挑戰(zhàn)了以前從未做過的高難度動作——空中轉體1620度加安全抓板，奪得一枚金牌；2月18日，谷愛凌在自由式滑雪女子U型場地技巧決賽中，在成功完成兩個900度、一個720度轉體動作后，再獲一金。

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回顧谷愛凌在比賽中的精彩表現(xiàn)

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回顧蘇翊鳴在比賽中的精彩表現(xiàn)

2月8日，日本選手羽生結弦在花樣滑冰男子單人短節(jié)目比賽中，憑借充沛的情緒表達、優(yōu)美的肢體表現(xiàn)、流暢的動作力度，堅持完成了4A級跳躍挑戰(zhàn)，斬獲95.15高分，贏得世人喝彩。

除了谷愛凌、蘇翊鳴和羽生結弦之外，不斷挑戰(zhàn)自我及人類極限的運動員們不勝枚舉，前赴后繼地在賽場上勇闖難關。他們需要在極短的時間里，按照特定的順序，逐一精確地完成一系列“雜技”般的動作。人們在拍手叫絕的同時，也不禁思考著一個問題：他們究竟是如何按時序記住困難動作？人類大腦又是如何處理這類相對復雜的信息？

2月11日，北京大學生命科學學院、北京大學IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯(lián)合中心唐世明研究員課題組與中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）王立平、上海腦科學與類腦研究中心閔斌研究員合作，在權威學術期刊《科學》（ Science ）發(fā)表《序列工作記憶在獼猴前額葉表征的幾何結構》（Geometry of sequence working memory in macaque prefrontal cortex ）研究論文，為該領域的研究提供了一個全新的視角。而在此之前，人類大腦如何編碼時序信息一直是極為重要的未解之謎。

通過對獼猴進行訓練和觀察，唐世明教授課題組及其合作者對獼猴大腦外側前額葉 ( Prefrontal Cortex, 簡稱PFC ) 皮層采用“雙光子鈣成像”技術，記錄下數(shù)千個前額葉皮層神經(jīng)元。他們在分析后發(fā)現(xiàn)，在復雜的神經(jīng)元鈣成像“空間”里，可以找到每個次序的信息所對應的子空間 ( subspace )，從而揭示了大腦神經(jīng)元群存儲序列記憶的簡單編碼規(guī)則，回答了大腦如何記憶復雜動作順序的問題。

“工作記憶”是人類的一種短期記憶形式，是一種大腦對信息進行暫時加工和貯存的、容量有限的記憶系統(tǒng)。在工作記憶中，包括一部分涉及先后順序的即時記憶，如記住一串電話號碼、一種菜式的制作流程、一份日程表；如運動員第一次學習一系列復雜動作，舞者第一次學習新的編舞……在這些情況下，不僅單個內(nèi)容需要被記住，它們之間的順序也不能混淆，這便被稱為序列記憶。大腦如何存儲序列記憶，在之前還是一個未解之謎。

獼猴的認知能力、大腦結構與功能較其他模式動物更接近人類，是研究時間序列等復雜高級認知功能的最佳模型。因此，唐世明課題組與王立平、閔斌合作，訓練獼猴記憶由多個位置點組成的空間序列，并利用“雙光子鈣成像”技術，記錄下獼猴在執(zhí)行序列記憶過程中，前額葉皮層數(shù)千個神經(jīng)元的活動。

獼猴執(zhí)行空間序列記憶任務

任務中，獼猴面前的屏幕會依次閃現(xiàn)三個不同的點，獼猴需要在幾秒鐘之后將這些點按呈現(xiàn)的順序匯報出來。在匯報前的幾秒內(nèi)，空間序列信息便以工作記憶的形式被暫時儲存在獼猴大腦外側前額葉皮層的群體神經(jīng)中。

序列記憶在神經(jīng)高維向量空間的表征

分析結果證實了這個猜想：研究人員在分析了高維數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)確實可以在高維向量空間里找到每個次序的信息所對應的二維子空間 ( subspace )，即所謂的“屏幕”。

在每個子空間內(nèi)，不同點所對應的空間位置與真實視覺刺激的環(huán)狀結構保持了一致，且不同次序所對應的子空間接近相互正交，說明大腦確實用到了三塊不同的“屏幕”來表征序列信息。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，不同次序的子空間之間共享類似的環(huán)狀結構，但環(huán)的半徑大小會隨次序的增加而減小。一個可能的解釋是，次序靠后的信息所分配到的注意資源更少，導致對應的環(huán)變小、區(qū)分度降低。這一結構也對應了序列記憶的行為表現(xiàn)，例如我們?nèi)粘Ｉ钪腥绻?/span>記憶的內(nèi)容越多，越靠后出現(xiàn)的信息便越容易產(chǎn)生記憶偏差。

基于研究結果，唐教授介紹說，在處理“工作記憶”時，我們大腦前額葉皮層的一組神經(jīng)元會將接收到的信息分割成單個動作或圖像的較小部分。然后，大腦皮層用不同的神經(jīng)元進行“放電”來編碼記憶信息。當我們試圖回憶時，神經(jīng)元會以不同的順序亮起，提醒我們事件的次序。

唐教授接著提到，“工作記憶”只適合記錄那些在當下十分重要的信息，存儲信息的容量相對有限，且只能在短時間內(nèi)被回憶起來。為了長時間保存重要信息，當我們反復回憶相同的信息時，“工作記憶”便會被傳輸?shù)桨垂δ芊謪^(qū)的大腦皮層，成為“長期記憶”。即，完成短期記憶到長期記憶的轉換。

對于技術嫻熟的運動員來說，“長期記憶”最終演變成為“肌肉記憶”，通過反復訓練和強化，使他們能夠在瞬間完成復雜的動作。這也許是從運動員的角度對“熟能生巧”的最佳解讀。

首次在群體神經(jīng)元水平闡釋了

序列工作記憶的計算和編碼原理

推翻了順序調制的單細胞表征模型

為神經(jīng)網(wǎng)絡如何表征時序信息這一難題

提供了新的見解

也為人工智能的發(fā)展提供了新思路