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(diǎn)的，那么你問的是一個(gè)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?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家發(fā)表了一項(xiàng)重要的新見解，來解釋它是如何工作的。

在一項(xiàng)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(dòng)物在執(zhí)行工作記憶任務(wù)時(shí)腦細(xì)胞活動(dòng)的測(cè)量結(jié)果與各種計(jì)算機(jī)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(jī)制理論。研究結(jié)果強(qiáng)烈支持一種新的觀點(diǎn)，即神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)它們的連接模式(或突觸)進(jìn)行短暫的改變來存儲(chǔ)信息，并與傳統(tǒng)的替代觀點(diǎn)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(dòng)機(jī))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(dòng)模式模擬了在實(shí)際大腦工作時(shí)實(shí)際觀察到的情況。資深作家Earl K. Miller承認(rèn)，腦細(xì)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(dòng)產(chǎn)生。

麻省理工學(xué)院大腦與認(rèn)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(jī)制來給工作記憶活動(dòng)提供靈活的自由。如果工作記憶只是一種單獨(dú)的持續(xù)活動(dòng)，那么它就像一個(gè)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(dòng)態(tài)?！?/p>

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(xiàng)研究。他說，將計(jì)算機(jī)模型與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)相匹配是至關(guān)重要的。

“大多數(shù)人認(rèn)為工作記憶‘發(fā)生’在神經(jīng)元中——持續(xù)的神經(jīng)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的想法。然而，這一觀點(diǎn)最近受到了審查，因?yàn)樗c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(jī)械工程教授?！?strong>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(dòng)(而不是神經(jīng)活動(dòng))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(shì)?！?/p>

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(xiàng)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(shí)際上是如何做到這一點(diǎn)的。這意味著在動(dòng)物玩工作記憶游戲時(shí)，要從“基本事實(shí)”測(cè)量動(dòng)物前額葉皮層數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的電“峰值”活動(dòng)開始。在許多回合中，每一輪都向動(dòng)物展示一個(gè)圖像，然后消失。一秒鐘后，它會(huì)看到兩張圖片，包括原作，它必須看原作來獲得一點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)。關(guān)鍵時(shí)刻是中間的那一秒，稱為“延遲期”，在此期間，必須在測(cè)試之前記住圖像。

該團(tuán)隊(duì)一直觀察到Miller實(shí)驗(yàn)室之前多次看到的情況:看到原始圖像時(shí)，神經(jīng)元會(huì)大量激增，在延遲期間只會(huì)間歇性地激增，然后在測(cè)試期間必須回憶圖像時(shí)再次激增(這些動(dòng)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(chǔ)和必須回憶時(shí)，峰值是強(qiáng)烈的，但當(dāng)信息必須保持時(shí)，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(dòng)的測(cè)量中讀出工作記憶信息。當(dāng)峰值高時(shí)，他們是高度準(zhǔn)確的，但當(dāng)峰值低時(shí)，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(gè)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(duì)強(qiáng)度或“權(quán)重”的變化可以存儲(chǔ)信息。麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算建模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來測(cè)試這一想法，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了每個(gè)主要理論的兩個(gè)版本。與真正的動(dòng)物一樣，機(jī)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(dòng)。

結(jié)果是，允許短期突觸可塑性編碼信息的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際大腦增加時(shí)增加，而在實(shí)際大腦沒有增加時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)模型版本中，最現(xiàn)實(shí)的一個(gè)被稱為“PS-Hebb”，其特點(diǎn)是一個(gè)負(fù)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(yùn)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(duì)真實(shí)大腦很重要的好處。其中之一是，即使在多達(dá)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(dòng)模型在失去10- 20%的突觸后就崩潰了。而且，Miller補(bǔ)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(huì)在記憶中為存儲(chǔ)多個(gè)項(xiàng)目留下時(shí)間空間。研究表明，人們?cè)诠ぷ饔洃浿凶疃嗄苡涀∷募煌氖虑?。Miller的實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)，以確定當(dāng)動(dòng)物必須記住多個(gè)事物而不僅僅是一個(gè)圖像時(shí)，具有間歇性峰值和基于突觸權(quán)重的信息存儲(chǔ)的模型是否與真實(shí)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