近日，一項現(xiàn)代人工智能（AI）技術結合神經(jīng)科學的研究，揭示出短期記憶（或叫工作記憶），會根據(jù)所面臨任務的復雜程度以不同方式使用神經(jīng)元網(wǎng)絡。該研究近日已發(fā)表在《Nature Neuroscience》上，由美國芝加哥大學的高級科學家Nicholas Masse教授領導。該研究展示了AI在神經(jīng)科學研究中的價值，以及這兩個領域是如何互惠的。

在這項研究中，研究人員使用AI技術訓練基于大腦生物學結構的計算神經(jīng)網(wǎng)絡。他們要求神經(jīng)網(wǎng)絡解決一系列需要在短期記憶中存儲信息的復雜行為任務。研究結果顯示，短期記憶涉及兩個截然不同的過程：一個是“靜默”過程，即大腦儲存短期記憶而不進行神經(jīng)活動。另一個是更活躍的過程，在這個過程中，神經(jīng)元回路會持續(xù)放電。

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

David Freedman

主動記憶與“靜默”記憶

許多日常任務都需要使用工作記憶，即你在當下做的某件事，但稍后可能會忘記的信息。有時你會主動且有意識地記憶一些事物，比如在腦海中做一道數(shù)學題，或者在你有機會寫下一個電話號碼之前試圖記住它的時候。你也會被動地吸收你后來能回憶起來的信息，即使你沒有刻意記住它，比如有人問你是否在走廊里看到了某個人。

通過監(jiān)測動物在執(zhí)行需要使用工作記憶任務時大腦中電流活動的模式，神經(jīng)科學家們已經(jīng)了解了很多關于大腦如何表達存儲在記憶中的信息。

但Freedman說，令他和他的團隊感到驚訝的是，在某些需要記憶信息的任務中，他們的實驗發(fā)現(xiàn)神經(jīng)回路異常安靜，所以他推測，這些“靜默”記憶可能存在于神經(jīng)元之間連接強度或突觸強度的暫時變化中。

但隨之而來問題是，使用現(xiàn)有的技術測量活體動物大腦中這些“靜默”過程中突觸發(fā)生的情況是不可能的。因此，研究團隊開發(fā)了一種AI方法，利用動物實驗數(shù)據(jù)來設計網(wǎng)絡，模擬真實大腦中的神經(jīng)元如何相互連接。然后，他們可以訓練這些網(wǎng)絡來解決在動物實驗中相同類型的任務。

在對這些受生物學啟發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡進行實驗期間，他們能看到在短期記憶處理過程中有兩個不同的過程在發(fā)揮作用。

一種被稱為持續(xù)性神經(jīng)元活動，在更復雜但仍然是短期的任務中尤為明顯。當神經(jīng)元獲得輸入時，會產(chǎn)生一個短暫的放電。神經(jīng)元之間會形成突觸，當一個神經(jīng)元放電時，會觸發(fā)連鎖反應，使另一個神經(jīng)元放電。通常，當輸入消失時，這種活動模式就會停止，但AI模型顯示，當執(zhí)行某些任務時，即使在輸入消失后，某些神經(jīng)元回路仍會繼續(xù)放電，就像是回聲一樣。對于處理更復雜的問題，即需要以某種方式操縱記憶中的信息，這種持續(xù)的活動顯得尤為重要。

圖片來源：《Nature Neuroscience》

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了另一種過程，解釋了大腦如何在沒有持續(xù)活動的情況下將信息保存在記憶中，正如他們在大腦記錄實驗中觀察到的那樣。這類似于大腦通過在許多神經(jīng)元之間建立復雜的連接網(wǎng)絡來存儲長期記憶。當大腦學習到新信息時，這些連接會增強、重構或者移除，這就是所謂的“可塑性”。這個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臨時記憶信息。

這兩種形式的短期記憶持續(xù)時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被長期存儲，但大多數(shù)信息會隨著時間的推移而消失。