@ 2019.01.20 , 11:00

记忆的六边形理论(一)

在我们的精神世界和物质世界之间有着一种奇异而又深刻的联系,尤其是在记忆方面。我们擅长记住地标和场景,如果把我们的记忆放在一个语境、一个上下文或者一个背景中,再现记忆就会变得更容易。为了记住长时间的演讲,古希腊和古罗马的演说家想象着漫游在“记忆宫殿”中,那里充满了回忆。现代记忆大赛的冠军仍然使用这种技术来“放置”长串的数字、名字和其他信息。

正如哲学家伊曼努尔·康德(Immanuel Kant)所言,空间的概念是我们感知和解释世界的方法原则,即使是以抽象的方式。英国人工智能公司DeepMind的神经学家金·斯塔肯菲尔德(Kim Stachenfeld)说:“我们的语言中充满了用于推理和记忆的空间隐喻。”

这些隐喻可能在大脑中有物理基础。大脑中海马状的小结构——海马体,对记忆和定位功能都至关重要,有证据表明,同样的编码模式—— 一种基于网格的表现形式——可能是这两种功能的基础。最近的发现促使一些研究人员提出,这种编码方式可以帮助我们浏览其他类型的信息,包括视觉、声音和抽象概念。更加激进的科学家大胆地提出,这些网格代码可能是理解大脑如何处理一般知识、知觉和记忆的所有细节的关键。

1953年9月1日,27岁的亨利·莫莱森,被世人称为“病人H.M.”,是一名衰弱性癫痫患者,医生对他进行了实验性手术。神经外科医生从他大脑深处移除了海马体及其周围组织,缓解了他部分癫痫症状,但意外地造成他永久的记忆缺失。半个多世纪后,H.M.去世了。在此之前,他无法对新的记忆进行编码:无论是早餐吃了什么,还是最近的新闻头条,还是几分钟前刚刚认识的陌生人的名字。尽管莫莱森的故事很悲惨,但它彻底改变了科学家们对海马体在大脑组织记忆过程中所起作用的认识。

多年后,另一场以海马为中心的革命发生了,并为研究它的先驱者们赢得了诺贝尔奖:发现了两种细胞,表明了海马区域的基本功能不仅包括记忆,还包括空间定位和二维空间的展示。

第一种细胞的发现是在1971年,研究人员发现了“定位细胞”,它的电活动可以编码一个人当前的位置。伦敦大学学院(University College London)的神经学家约翰·奥基夫(John O’keefe)和他的同事对笼子里自由活动的老鼠的大脑活动进行了监控,发现大脑中的一些神经元只在老鼠到达笼子的特定位置时活动;有些神经元在老鼠朝着笼子东北角时变得活跃,其他情况则保持静息;其他一些神经元在老鼠位于笼子中心时活跃。也就是说,这些细胞编码了位置感(“你在这里”),它们一起创建了整个空间的地图。(当把老鼠放在不同的笼子或房间时,这些细胞会“重置地图”,以编码不同的空间环境。)

这些发现提示海马体可能可以在空间地图之上创建和存储“认知地图”,这个想法由心理学家爱德华·托尔曼(Edward Tolman)在20世纪40年代首次提出,用来解释老鼠如何在迷宫中找出获得食物的新捷径。至少,海马体似乎是一个寻找空间或认知地图线索的很有希望的地方。

挪威科技大学(Norwegian University of Science and Technology)科学家梅布里特莫泽(May-Britt Moser)和爱德华莫泽(Edvard Moser)将他们的注意力转移到海马体旁边的内嗅皮层。这一区域是海马体重要的信息来源,同时也是阿尔茨海默氏症患者大脑中最先恶化的区域之一。阿尔茨海默氏症会影响定位和记忆。在那里,研究人员发现了他们所谓的“网格细胞”,专家们现在认为这个部位最有可能是认知地图绘制者。

与定位细胞不同,网格细胞并不表示特定的位置。相反,它们形成了一个独立于空间位置的坐标系。(因此,它们通常被称为大脑的GPS。) 每个网格细胞以规则间隔产生动作电位,形成一个六边形图案。想象一下,你卧室的地板是由相同大小的正六边形平铺的,每个六边形被分成六个等边三角形。当你穿过房间时,每当你到达任何一个三角形的顶点时,其中一个网格细胞就会激活。

不同的网格细胞组成不同的网格:具有较大或较小六边形的网格、面向不同方向的网格、相互重叠的网格。网格细胞一起映射环境中的每个空间位置,任何特定的位置都由网格细胞的放电模式的独特组合表示。不同网格相互重叠的点告诉大脑身体就在那里。

这种网格细胞网络,构建了一种相比位置细胞更内化的空间感。虽然位置细胞提供了一种很好的定位方法,但只适用于在有外部空间的地标和其他有意义的位置时提供空间信息。但在没有这些外部线索的情况下,网格细胞提供了一种很好的定位方法。事实上,研究人员认为网格细胞负责所谓的路径整合,即一个人在蒙住眼睛的情况下,能够跟踪自己在空间中的位置的过程——从某个起点走了多远,以及往哪个方向走。

不明白的点这里:神经定位系统图解

图解:海马及其周围组织中的两种特殊的神经元拥有空间定位功能。位置细胞编码特定的空间位置,而网格细胞则通过一种大范围的六边形的坐标系统,在不借助外部环境的地标的情况下在大脑中产生空间地图并提供位置觉。研究人员认为,大脑运用相似的系统产生一个认知的地图并将知识和记忆放在认知地图中,便于重现。
图左:一个点的空间定位:如果老鼠在房间一个位置不动,那么只有一个对应的位置细胞被激活。但是网格细胞却大范围地以六边形阵列激活。
图右:一段路径的空间定位:当老鼠开始移动,许多老鼠走过位置对应的位置细胞被激活,形成一条轨迹。网格细胞的活动则记录了老鼠的移动在六边形坐标里产生的激动的重叠部分。

“我们认为网格细胞提供的代码信息可以作为某种度量或坐标系统,你基本上可以用这种代码信息来测量距离。” 雅各布·贝蒙德(Jacob Bellmund)说道。他是莱比锡马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)和挪威卡维利系统神经科学研究所(Kavli Institute for Systems Neuroscience)的认知神经学家。此外,由于它采用的工作方式,编码方案可以独特而有效地表示大量信息。

不仅如此:因为网格网络是基于相对关系的,至少在理论上,它不仅可以代表很多信息,而且还可以代表很多不同类型的信息。纽约大学医学院的神经学家Gyorgy Buzsaki说“网格细胞间的联系采取的是物理学上最稳定的动态实体——六边形” 也许大自然找到了这样一种解决方案,使大脑能够使用网格细胞来表示任何结构化的关系,比如理解词义或者制定未来计划。


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