近日，一項(xiàng)現(xiàn)代人工智能（AI）技術(shù)結(jié)合神經(jīng)科學(xué)的研究，揭示出短期記憶（或叫工作記憶），會(huì)根據(jù)所面臨任務(wù)的復(fù)雜程度以不同方式使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。該研究近日已發(fā)表在《Nature Neuroscience》上，由美國(guó)芝加哥大學(xué)的高級(jí)科學(xué)家Nicholas Masse教授領(lǐng)導(dǎo)。該研究展示了AI在神經(jīng)科學(xué)研究中的價(jià)值，以及這兩個(gè)領(lǐng)域是如何互惠的。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用AI技術(shù)訓(xùn)練基于大腦生物學(xué)結(jié)構(gòu)的計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他們要求神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決一系列需要在短期記憶中存儲(chǔ)信息的復(fù)雜行為任務(wù)。研究結(jié)果顯示，短期記憶涉及兩個(gè)截然不同的過(guò)程：一個(gè)是“靜默”過(guò)程，即大腦儲(chǔ)存短期記憶而不進(jìn)行神經(jīng)活動(dòng)。另一個(gè)是更活躍的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，神經(jīng)元回路會(huì)持續(xù)放電。

研究通訊作者、神經(jīng)生物學(xué)教授David Freedman說(shuō)：“短期記憶很可能由多種不同的過(guò)程組成，從簡(jiǎn)單地回憶幾秒之前看到的事物，到更復(fù)雜的過(guò)程，如操縱存儲(chǔ)記憶中的信息。我們已經(jīng)確定了兩種不同的神經(jīng)機(jī)制如何協(xié)同工作來(lái)完成不同類型的記憶任務(wù)?！盕reedman教授的研究專注于視覺學(xué)習(xí)、認(rèn)知和決策制定的大腦機(jī)制。

David Freedman

主動(dòng)記憶與“靜默”記憶

許多日常任務(wù)都需要使用工作記憶，即你在當(dāng)下做的某件事，但稍后可能會(huì)忘記的信息。有時(shí)你會(huì)主動(dòng)且有意識(shí)地記憶一些事物，比如在腦海中做一道數(shù)學(xué)題，或者在你有機(jī)會(huì)寫下一個(gè)電話號(hào)碼之前試圖記住它的時(shí)候。你也會(huì)被動(dòng)地吸收你后來(lái)能回憶起來(lái)的信息，即使你沒有刻意記住它，比如有人問(wèn)你是否在走廊里看到了某個(gè)人。

通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)物在執(zhí)行需要使用工作記憶任務(wù)時(shí)大腦中電流活動(dòng)的模式，神經(jīng)科學(xué)家們已經(jīng)了解了很多關(guān)于大腦如何表達(dá)存儲(chǔ)在記憶中的信息。

但Freedman說(shuō)，令他和他的團(tuán)隊(duì)感到驚訝的是，在某些需要記憶信息的任務(wù)中，他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)回路異常安靜，所以他推測(cè)，這些“靜默”記憶可能存在于神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度或突觸強(qiáng)度的暫時(shí)變化中。

但隨之而來(lái)問(wèn)題是，使用現(xiàn)有的技術(shù)測(cè)量活體動(dòng)物大腦中這些“靜默”過(guò)程中突觸發(fā)生的情況是不可能的。因此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種AI方法，利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，模擬真實(shí)大腦中的神經(jīng)元如何相互連接。然后，他們可以訓(xùn)練這些網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中相同類型的任務(wù)。

在對(duì)這些受生物學(xué)啟發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)期間，他們能看到在短期記憶處理過(guò)程中有兩個(gè)不同的過(guò)程在發(fā)揮作用。

一種被稱為持續(xù)性神經(jīng)元活動(dòng)，在更復(fù)雜但仍然是短期的任務(wù)中尤為明顯。當(dāng)神經(jīng)元獲得輸入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短暫的放電。神經(jīng)元之間會(huì)形成突觸，當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元放電時(shí)，會(huì)觸發(fā)連鎖反應(yīng)，使另一個(gè)神經(jīng)元放電。通常，當(dāng)輸入消失時(shí)，這種活動(dòng)模式就會(huì)停止，但AI模型顯示，當(dāng)執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)，即使在輸入消失后，某些神經(jīng)元回路仍會(huì)繼續(xù)放電，就像是回聲一樣。對(duì)于處理更復(fù)雜的問(wèn)題，即需要以某種方式操縱記憶中的信息，這種持續(xù)的活動(dòng)顯得尤為重要。

圖片來(lái)源：《Nature Neuroscience》

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了另一種過(guò)程，解釋了大腦如何在沒有持續(xù)活動(dòng)的情況下將信息保存在記憶中，正如他們?cè)诖竽X記錄實(shí)驗(yàn)中觀察到的那樣。這類似于大腦通過(guò)在許多神經(jīng)元之間建立復(fù)雜的連接網(wǎng)絡(luò)來(lái)存儲(chǔ)長(zhǎng)期記憶。當(dāng)大腦學(xué)習(xí)到新信息時(shí)，這些連接會(huì)增強(qiáng)、重構(gòu)或者移除，這就是所謂的“可塑性”。這個(gè)AI模型顯示，在記憶的靜默期，大腦可以利用神經(jīng)元之間突觸連接的短期可塑性來(lái)臨時(shí)記憶信息。

這兩種形式的短期記憶持續(xù)時(shí)間從幾秒鐘到幾分鐘。短期記憶中使用的一些信息最終可能會(huì)被長(zhǎng)期存儲(chǔ)，但大多數(shù)信息會(huì)隨著時(shí)間的推移而消失。