1956年，著名的認(rèn)知心理學(xué)家喬治·米勒（George Miller）發(fā)表了一篇重要的論文：《神奇的數(shù)字：7±2》，這是在該領(lǐng)域被引用次數(shù)最高的論文之一。該論文所闡述的觀點(diǎn)是：雖然大腦可以將整個(gè)生命周期中的知識(shí)都儲(chǔ)存在其數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的連接中，但是人類在一次意識(shí)知覺(jué)中能同時(shí)主動(dòng)持有的事物數(shù)量卻是有限的，平均來(lái)說(shuō)這個(gè)數(shù)字為7。
○ 神奇的數(shù)字。
這些“事物”可以是一串?dāng)?shù)字、或是散落在一個(gè)房間里的幾樣物品、或是一張單詞列表，等等等等。無(wú)論它們是什么，能進(jìn)入所謂的“工作記憶”的只能有7項(xiàng)。在工作記憶中，才能引發(fā)我們集中注意力和其他認(rèn)知過(guò)程。而且它們?cè)诠ぷ饔洃浿辛舸娴臅r(shí)間很短暫：當(dāng)它們不再被主動(dòng)想起時(shí)，就會(huì)被存儲(chǔ)在別處或被遺忘。
自Miller之后，一直有神經(jīng)科學(xué)家和心理學(xué)家致力于研究工作記憶，并且發(fā)現(xiàn)與工作記憶有關(guān)的限制很可能比7要小，只有4或5。他們還研究了用來(lái)解決這一類限制的方式，例如當(dāng)人們要記憶一串?dāng)?shù)字時(shí)，可通過(guò)將數(shù)字分成“組塊”來(lái)幫助記憶。
在3月份發(fā)表在《大腦皮層》的一篇論文中，三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)傳播在大腦不同部位間的“反饋”信號(hào)的顯著削弱，是造成記憶故障的主要原因。這項(xiàng)研究不僅為記憶功能和功能障礙提供了新的見(jiàn)解，還為大腦處理信息的一種新興理論提供了進(jìn)一步的證據(jù)。
大腦中同步的“哼唱聲”
這項(xiàng)研究的作者想要知道，是什么讓工作記憶的容量限制如此之低。他們已經(jīng)知道的是，一個(gè)涉及到三個(gè)大腦區(qū)域——前額葉皮層、額葉視區(qū)和側(cè)頂葉——的網(wǎng)絡(luò)會(huì)在工作記憶中非常活躍。而還沒(méi)被觀察到的是，由于超過(guò)工作記憶極限而導(dǎo)致大腦從記得轉(zhuǎn)變成不記得時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的相應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)變化。為了有所突破，研究人員決定回顧一項(xiàng)已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)。
○參與生產(chǎn)視覺(jué)工作記憶的三個(gè)大腦區(qū)域，從左到右依次為前額葉皮層、額葉視區(qū)和側(cè)頂葉。但超過(guò)工作記憶的最大數(shù)值時(shí)，這一系統(tǒng)就會(huì)崩潰。| 圖片來(lái)源：Picower Institute for Learning and Memory
幾年前，論文的作者之一Earl Miller和他的研究團(tuán)隊(duì)曾進(jìn)行過(guò)一項(xiàng)與工作記憶有關(guān)的試驗(yàn)，他們?cè)谄聊簧舷蚝镒诱故玖艘幌盗胁煌膱D形（如下圖）：首先是一組彩色的正方形，緊接著是空白屏幕，然后播放一次初始屏幕的圖案，但這次會(huì)改變其中一個(gè)正方形的顏色。猴子們必須檢測(cè)屏幕與屏幕間的差異。屏幕上出現(xiàn)的正方形數(shù)量時(shí)而高于工作記憶容量、時(shí)而低于工作記憶容量。放置于猴子大腦深處的電極會(huì)記錄下各種神經(jīng)元在完成每項(xiàng)任務(wù)時(shí)產(chǎn)生的腦電波的時(shí)間和頻率。
○實(shí)驗(yàn)設(shè)置。| 圖片來(lái)源：DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.02.028
基本上，這些腦電波是數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的協(xié)同節(jié)奏，它們會(huì)同時(shí)變得活躍又同時(shí)趨于安靜。當(dāng)大腦區(qū)域在時(shí)間和頻率上出現(xiàn)相符的振蕩時(shí)，我們說(shuō)它們同步了。就像它們?cè)谝煌叱疫@些一起哼唱的神經(jīng)元之間會(huì)互相交流。Earl Miller把這比作是交通系統(tǒng)：大腦中的物理連接就好比是道路，而由這些振蕩的腦電波共同產(chǎn)生的共振模式就好比是疏導(dǎo)交通的交通燈。據(jù)研究人員推測(cè)，這種設(shè)置或許有助于將活躍的網(wǎng)絡(luò)“綁定”成一種體驗(yàn)的更加堅(jiān)實(shí)的表達(dá)。
在最新的研究中，為了獲取了解這種三部分式的記憶網(wǎng)絡(luò)是如何運(yùn)作的，他們挖掘了從猴子實(shí)驗(yàn)中收集到的振蕩數(shù)據(jù)。在早先研究的基礎(chǔ)上，他們結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和活動(dòng)的一些假設(shè)，建立了一個(gè)詳細(xì)的機(jī)制模型。隨后，當(dāng)猴子需要記住的東西越來(lái)越多時(shí)，研究人員會(huì)針對(duì)不同大腦區(qū)域相互“交談”的方式（包括對(duì)話的方向和強(qiáng)度），生成幾個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的假設(shè)。然后他們?cè)賹⑦@些計(jì)算與他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以分辨哪種假設(shè)最有可能正確。
○ 用于注意力和認(rèn)知任務(wù)的工作記憶取決于三個(gè)大腦區(qū)域的同步活動(dòng)（上）。當(dāng)關(guān)注的對(duì)象數(shù)量超過(guò)5個(gè)，那么模擬體驗(yàn)的前額葉皮層無(wú)法跟上。左下顯示的是，當(dāng)記憶目標(biāo)的數(shù)量小于5個(gè)時(shí)，大腦區(qū)域可以交換模擬體驗(yàn)（M）和感知信息（S），三個(gè)區(qū)域的腦電波保持同步；右下顯示的為，當(dāng)記憶目標(biāo)的數(shù)量大于5個(gè)時(shí)，模擬能力（M）超過(guò)負(fù)荷，該區(qū)域的信號(hào)被中斷，三個(gè)領(lǐng)域中的腦電波無(wú)法保持同步，從而工作記憶失效。| 圖片來(lái)源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta magazine
通過(guò)這一模型，研究人員發(fā)現(xiàn)這三個(gè)大腦區(qū)域就像是玩雜耍的人在進(jìn)行一項(xiàng)復(fù)雜的接球游戲。看起來(lái)，前額葉皮層像是建立了一個(gè)內(nèi)部模型，會(huì)發(fā)送所謂的“自上而下”的信號(hào)（或反饋信號(hào)），將這一模型傳達(dá)給級(jí)別更低的大腦區(qū)域。同時(shí)，表面的額葉視區(qū)和側(cè)頂葉以“自下而上”（或前饋信號(hào)）的形式向前額葉皮層的深處發(fā)送原始感知輸入。自上而下的模型和自下而上的感知信息間的區(qū)別，讓大腦能弄清楚它正在經(jīng)歷什么，從而相應(yīng)地調(diào)整其內(nèi)部模型。
通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要被記憶的事物數(shù)量超過(guò)猴子的工作記憶容量時(shí)，從前額葉皮層向其他兩個(gè)區(qū)域輸送的自上而下的反饋連接就會(huì)被打破，但前饋連接仍然完好。也就是說(shuō)，通過(guò)模型我們發(fā)現(xiàn)，反饋信號(hào)的弱化導(dǎo)致大腦區(qū)域之間的同步性喪失。如果沒(méi)有來(lái)自前額葉皮層的預(yù)測(cè)導(dǎo)向信號(hào)，工作記憶的網(wǎng)絡(luò)就無(wú)法同步。
模型的更新
那么新的問(wèn)題是，為什么自上而下的反饋信號(hào)會(huì)更容易隨需被記憶的事物數(shù)量的增加而受到破壞呢？研究人員的推測(cè)是，來(lái)自前額葉皮層的模擬信息基本上代表了一系列有關(guān)大腦能感知到什么的預(yù)測(cè)，在這種情況下這些事物的內(nèi)容才能被保存在工作記憶中。
許多神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，大腦很大程度上都要依賴這種感知數(shù)據(jù)的“預(yù)測(cè)編碼”，來(lái)執(zhí)行常規(guī)認(rèn)知和命令功能。但是Earl Miller等人認(rèn)為，當(dāng)工作記憶中的事物數(shù)量過(guò)大，這些事物的可能預(yù)測(cè)的數(shù)量就不容易被編碼到反饋信號(hào)中。于是反饋失敗、超負(fù)荷的工作記憶系統(tǒng)崩潰。
除此之外，研究人員現(xiàn)在正努力將這一工作記憶模型的腦電波之間的相互作用置于更重要的位置，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的這類模型都將重點(diǎn)放在單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)上。他們?cè)噲D弄清楚的另一個(gè)問(wèn)題是，為什么工作記憶的上限徘徊在4到5，而不是別的。Earl Miller認(rèn)為，大腦在一次一個(gè)的“擺弄”這些存在于工作記憶中的事物，交替進(jìn)行。這意味著所有信息都必須融入一個(gè)腦電波，當(dāng)腦電波的容量被超出，就達(dá)到了工作記憶的極限。
有其他研究人員認(rèn)為，這一模型是否真的強(qiáng)大、又能帶給我們什么還需通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。科學(xué)家需要真正地“進(jìn)入”大腦，找到那些連接的更直接的證據(jù)。
而這一研究的潛在回報(bào)非常高。它不僅能讓我們更好地理解大腦的工作方式以及可能出現(xiàn)在神經(jīng)疾病的問(wèn)題，它對(duì)于我們所謂的“智能”、甚至是“個(gè)性”都具有重要意義。目前，人工智能的研究更側(cè)重于前饋信號(hào)和分類算法，但有時(shí)候當(dāng)系統(tǒng)在做一個(gè)決定時(shí)，需要基于的是它記住的內(nèi)容、而非基于它所看到的，所以更好地掌握大腦的反饋連接，或許能幫助人工智能的研究邁出重要一步。
文：Jordana Cepelewicz
譯：糖獸
原文標(biāo)題為“Overtaxed Working Memory Knocks the Brain Out of Sync”，首發(fā)于2018年6月6日的QuantaMagazine。原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/overtaxed-working-memory-knocks-the-brain-out-of-sync-20180606/。略有刪減。中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
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