輸
研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作記憶過載時(shí)，大腦有三個(gè)腦區(qū)會(huì)失去原本的協(xié)調(diào)同步。該發(fā)現(xiàn)亦為大腦工作原理的另一個(gè)更普適理論提供了新支持。
——JORDANA CEPELEWICZ
1956年，著名認(rèn)知心理學(xué)家喬治·米勒（George Miller）發(fā)表了在認(rèn)知領(lǐng)域內(nèi)引用次數(shù)最高的論文之一——《神奇數(shù)字7±2》（The Magical Number Seven, Plus or Minus Two）。在論文中，他認(rèn)為，盡管大腦可以用數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)連接來儲(chǔ)存人一生的知識(shí)，但能在意識(shí)中短期儲(chǔ)存的事物數(shù)量卻是有限的——平均來說，大概7個(gè)。
米勒認(rèn)為：無論是一串?dāng)?shù)字、房間里的物品、一列單詞，還是重疊的聲響——統(tǒng)統(tǒng)都只有7項(xiàng)可以被塞進(jìn)所謂的“工作記憶”——這個(gè)可供我們的注意力或其它認(rèn)知過程訪問的臨時(shí)空間。它們?cè)诠ぷ饔洃浿械谋Ａ魰r(shí)間也很短：一旦我們不再主動(dòng)地去想，它們就會(huì)被儲(chǔ)存到其它地方或者干脆被忘掉。
“感覺就好像它們?cè)谝黄鸷叱黄鸷叱纳窠?jīng)元們?cè)谙嗷ソ徽??！?/p>
自從米勒的時(shí)代，神經(jīng)科學(xué)家和心理學(xué)家都一直在研究工作記憶和它小得驚人的容量。他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)容量可能并不到7，而是更接近4或5。他們還研究了人們?nèi)绾卧诠ぷ饔洃浀娜萘肯拗葡伦兺?，例如將電話?hào)碼的數(shù)字組合起來記憶（把1，4作為單一的“14”來記憶）、或者創(chuàng)造記憶技巧，從長(zhǎng)期記憶中提取π的小數(shù)序列。
然而這些研究都沒能解答一個(gè)最讓人迷惑的問題：工作記憶在負(fù)載超過這個(gè)很低的閾值之后，就會(huì)變得不再可靠——這背后的機(jī)制到底是什么？科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：嘗試記住更多事物會(huì)導(dǎo)致信息退化——神經(jīng)對(duì)信息的編碼變得“稀薄”、大腦節(jié)律發(fā)生變化、記憶分崩離析。在神經(jīng)疾病患者（例如精神分裂癥）中，這個(gè)本來就很低的閾值甚至?xí)兊酶汀?br>
導(dǎo)致這些故障的機(jī)制，直到最近才開始明晰。
3月發(fā)表在《大腦皮層》（Cerebral Cortex）上的一篇論文中，三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大腦腦區(qū)間“反饋”信號(hào)的顯著衰落可以解釋工作記憶為何會(huì)在過載時(shí)崩解。他們不僅為記憶的功能和功能障礙提供了啟發(fā)，也為另一個(gè)最近很火的，解釋大腦如何處理信息的理論——預(yù)測(cè)性編碼（predictive coding）——提供了新的證據(jù)。
腦中齊聲的哼唱
厄爾·米勒（Earl Miller），麻省理工大學(xué)皮考爾學(xué)習(xí)和記憶研究所的一位神經(jīng)科學(xué)家，聯(lián)合季米特里斯·皮諾齊斯（Dimitris Pinotsis），他實(shí)驗(yàn)室的一名研究員、以及普林斯頓大學(xué)的一名助理教授，蒂莫西·布希曼（Timothy Buschman），想一起弄明白是什么機(jī)制把工作記憶的容量限制得那么低。
他們已經(jīng)知道，一個(gè)由三個(gè)腦區(qū)組成的網(wǎng)絡(luò)會(huì)在視覺工作記憶時(shí)活躍。這三個(gè)腦區(qū)包括前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）、額葉眼動(dòng)區(qū)（frontal eye field, FEF）和側(cè)頂內(nèi)溝區(qū)（lateral intraparietal area, LIP）。但是他們還沒有觀察過在記得和不記得時(shí)，這些區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)會(huì)有什么區(qū)別——尤其是在工作記憶超負(fù)荷的情況下。
Earl Miller | Earl Miller
于是他們使用了一個(gè)米勒實(shí)驗(yàn)室?guī)啄昵坝眠^的工作記憶測(cè)試。在這個(gè)測(cè)試中，猴子會(huì)先看到一組彩色方塊（屏1），隨后是短暫的黑屏（屏2），然后屏1再次出現(xiàn)，但其中一個(gè)彩色方塊改變了顏色。猴子需要找到這一個(gè)變色的方塊。重要的是：有時(shí)，方塊的數(shù)量會(huì)比工作記憶的容量要小，有時(shí)則比工作記憶容量要大。猴子腦內(nèi)的電極會(huì)在猴子做任務(wù)時(shí)，記錄腦波的激活時(shí)間和頻率。
這些腦波實(shí)際上是數(shù)以萬計(jì)的神經(jīng)元協(xié)調(diào)一致的韻律——在它們同時(shí)活躍與靜息時(shí)呈現(xiàn)在局域電場(chǎng)中。當(dāng)兩個(gè)腦區(qū)呈現(xiàn)出在時(shí)間和頻率上都一致的韻律振蕩時(shí)，兩個(gè)腦區(qū)被稱為“同步”。“感覺就好像它們?cè)谝黄鸷叱?，”米勒說，“一起哼唱的神經(jīng)元們就在相互交談?！?br>
米勒和他的同事在最新的研究中，重新挖掘了之前在猴子腦中收集的振蕩數(shù)據(jù)，以尋找這個(gè)由三個(gè)部分組成的記憶系統(tǒng)如何工作的線索。他們建立了一個(gè)詳盡的機(jī)理模型，在模型中，他們基于之前的研究，對(duì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和活動(dòng)做出一些假定，例如不同神經(jīng)元集群的位置和屬性（比如說它們是興奮性還是抑制性神經(jīng)元），還有振蕩的頻率是多少等等。研究者隨后為不同腦區(qū)如何互相“交談”提出了數(shù)個(gè)互不兼容的假說，這些假說之間的差異包括對(duì)話的方向和強(qiáng)度。他們比較了模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此確定哪個(gè)假說最有可能是對(duì)的。
他們的模型確認(rèn)了三個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)——就像三個(gè)人在做復(fù)雜的拋接球雜耍。
前額葉皮層似乎在腦中為外部世界建立一個(gè)模型。它將這個(gè)模型用“自上而下”的反饋信號(hào)傳達(dá)給低層級(jí)的腦區(qū)。
同時(shí)，額葉眼動(dòng)區(qū)和側(cè)頂內(nèi)溝區(qū)以“自下而上”的前饋方式，將感覺輸入的原始信號(hào)傳送到前額葉的深層區(qū)域。
通過比較自上而下的模型信號(hào)和自下而上的感覺信息，大腦可以根據(jù)兩者的差別搞明白身體在經(jīng)歷什么，由此調(diào)整自己的內(nèi)部模型。
米勒和他的同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所需記憶的方塊數(shù)量超過猴子的工作記憶容量時(shí)，源自前額葉皮層的自上而下反饋信號(hào)便崩塌了。而來自另外兩個(gè)腦區(qū)的前饋連接卻還在持續(xù)傳輸。
根據(jù)研究者的理論模型，反饋信號(hào)的衰弱導(dǎo)致腦區(qū)間同步的減弱。失去了來自前額葉皮層的預(yù)測(cè)性信號(hào)，工作記憶的網(wǎng)絡(luò)不再同步。
模型的更新
但為什么自上而下的反饋那么容易受所需記憶的事物數(shù)量影響呢？研究者們提出的假說是：來自前額葉皮層的模型信號(hào)實(shí)質(zhì)上反映了一組對(duì)“我將感知什么”的預(yù)測(cè)，在本研究中，這個(gè)預(yù)測(cè)就是工作記憶中保持的事物的內(nèi)容?！芭e個(gè)例子，當(dāng)你閱讀這句話時(shí)，你會(huì)對(duì)當(dāng)前的單詞、短語和句子有一個(gè)預(yù)期，”倫敦大學(xué)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家，卡爾·弗里斯頓（Karl Friston）在郵件中寫道，他并未參與該研究，“對(duì)當(dāng)前句子的預(yù)期有所表征，意味著你對(duì)過去和未來也有潛在的表征?！?/p>
有時(shí)系統(tǒng)根據(jù)的是它的記憶，而非正看到的東西，來做出決策。
許多神經(jīng)科學(xué)家相信，大腦在進(jìn)行日常的認(rèn)知和指令活動(dòng)時(shí)，非常依賴這種對(duì)感覺信息的“預(yù)測(cè)性編碼”。米勒和他的同事提出理論認(rèn)為，當(dāng)在工作記憶中所需記憶的東西太多時(shí)，對(duì)這些東西的預(yù)測(cè)難以被編碼進(jìn)前額葉的反饋信號(hào)中。最終，反饋信號(hào)崩潰，工作記憶系統(tǒng)也因過載而故障。
米勒和其他科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室正在努力揭示，腦波的相互作用是否在工作記憶中發(fā)揮更重要的角色。在工作記憶的傳統(tǒng)理論模型中，人們更強(qiáng)調(diào)單個(gè)神經(jīng)元的發(fā)放率。他們也正在探究為什么工作記憶的容量為四到五而不是其它。米勒認(rèn)為大腦就像玩拋接的雜耍演員，在工作記憶中，一次在手上只能握一個(gè)球，其它幾個(gè)球則拋在空中，輪流接住，拋起?！斑@意味著工作記憶中的所有信息都得被塞進(jìn)同一個(gè)腦波中，”他說，“當(dāng)這個(gè)腦波的容量用滿時(shí)，你也就達(dá)到了工作記憶的極限?！?br>
“如今的問題是下一步做什么，”法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的魯芬·旺呂朗（Rufin VanRullen）說，他認(rèn)為該研究中的理論建模和結(jié)論“很有力”，不過還需要更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，“我們需要深入大腦內(nèi)部，尋找更多直接證據(jù)支持這些聯(lián)系。”
這些研究的潛在回報(bào)很大。實(shí)驗(yàn)證據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)性編碼模型的支持與鞏固不僅將加深我們對(duì)工作記憶以及大腦如何運(yùn)轉(zhuǎn)的理解，還會(huì)讓我們搞懂神經(jīng)疾病患者的記憶系統(tǒng)哪里出了錯(cuò)。而且，根據(jù)弗里斯頓的說法，他還能為我們理解所謂的“智能”——甚至是“自我”，提供更多至關(guān)重要的啟示。不說別的，對(duì)大腦的反饋連接的功能加深理解首先就能讓人工智能研究向前邁進(jìn)一大步。目前的人工智能算法大多關(guān)注前饋信號(hào)和分類任務(wù)?！暗怯袝r(shí)系統(tǒng)根據(jù)的是它的記憶，而非正看到的東西，來做出決策?！逼ぶZ齊斯說。
翻譯：潘金濤
編輯：EON
校對(duì)：octavarium1999
原文: https://www.quantamagazine.org/overtaxed-working-memory-knocks-the-brain-out-of-sync-20180606/
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