归档记忆的概念神经元
作者: 基洛加 / 7561次阅读 时间: 2013年6月06日
来源: 科学人2013年第134 标签: 安妮斯顿 记忆 科学家 神经元 祖母细胞
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&R"R/fB]0T0归档记忆的概念神经元心理学空间;Ba5x'z9qI `

JL&lw KP V/T;S0每个概念,包括每个人或每件事以及每天的经验,都可能有一组相对应的神经元。心理学空间cCr)k%~dI

} b `O,}0撰文/基洛加(Rodrigo Quian Quiroga)、佛里德(Itzhak Fried)、柯霍(Christof Koch)

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翻译/谢伯让

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重点提要

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+TJ(~Y(u.c0■过去数十年,神经科学家一直在争论记忆究竟如何储存。目前许多相互竞争的理论中,有一个理论认为单一神经元可以储存关于祖母或电影明星等的记忆。心理学空间 RF2Y$MY

)_cgM7F0■另一个理论认为,每个记忆都是由数百万个细胞分散储存。最近有些与脑部手术同时进行的实验发现,某些特定脑区中的相对小群神经元跟记忆储存有关。心理学空间^$D}4S*e1n

!_ia0d0H)uu0■此外,这一些小群的细胞可以记忆同一件事物的各种不同面向,例如祖母的脸或身形,或美国明星珍妮弗安妮斯顿的正脸、侧脸或声音。

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-Fk/q7] p8l YT/X|0阿卡希维奇(Akakhi Akakhievitch)是一位杰出的俄国神经外科医师,他有一位病人想要忘掉令人难以忍受的母亲。阿卡希维奇热心地打开了病人头壳,并一颗颗清除掉上千个和他母亲记忆有关的神经元。当病人从全身麻醉中苏醒时,失去了所有关于他母亲的记忆。成功之余,医生欣喜地转向下一个目标:寻找与「祖母」记忆有关的细胞。心理学空间9i+^F1x#K7k:?

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当然,这个故事是虚构的。已故的神经科学家雷特温(Jerry Lettvin,真实人物)于1969年在美国麻省理工学院对一群学生讲述了这个故事,用来说明一个充满争议的可能性:只需大约1万8000个神经元就可以产生关于事物、亲友或其它人的各种意识经验、想法或记忆。雷特温没能够证实他的假说,而过去40年来,科学家也大多戏谑地争论着「祖母细胞」这个点子。心理学空间l/_ K RcKg

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关于神经元以极度特定的方式储存记忆的想法,可以追溯到詹姆斯(William James),他在19世纪提出了「教皇细胞」(pontificial cell),认为这些细胞是意识所在之处。不过这个概念和当时的主流想法背道而驰,当时大家认为有关任何人或物的知觉,都是由数十亿或至少数百万个神经元共同负责,也就是诺贝尔奖得主薛林顿(Charles Sherrington)在1940年提出的「百万民主」概念:单一神经元的活动是无意义的,只有一大群神经元的集体活动才有意义。

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神经科学家一直在争论是否只需要少数的神经元(数千或更少),就足以呈现单一特定概念,或是需要广布脑中的上亿个神经元才够。研究这个问题的过程和结果,让我们对记忆与意识的运作有了更新的理解,好莱坞对此也有些小帮助。

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发现珍妮弗安妮斯顿神经元

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几年前,我们与克雷曼(Gabriel Kreiman,现任教于美国哈佛医学院)和雷迪(Leila Reddy,现为法国脑与认知研究中心研究员)进行了一些实验,发现有位病人的海马回(与记忆有关的脑区)中有一个神经元会对因电视影集「六人行」而走红的美国女演员珍妮弗安妮斯顿(Jennifer Aniston)的照片有强烈反应,但却对其他数十位演员、名人及各种景点和动物毫无反应。另一位病人的海马回中则有一个细胞对演员荷莉贝瑞(Halle Berry)的照片甚至英文名字(在计算机屏幕上)有反应。另有一个神经元则只对美国脱口秀主持人欧普拉(Oprah Winfrey)的照片和名字(在计算机上或计算机合成发音)有反应。还有一个神经元对电影「星际大战」中绝地武士天行者路克的照片,以及他的名字(无论被写出或念出)有反应。心理学空间.~#}.nj?w(gS

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这些结果都是透过直接测量单一神经元的活动才发现的。其它如功能性脑造影(fMRI)等较常见的技术,虽然可以找出受试者在进行某项活动时特定脑区的反应,但却只能追踪数百万个细胞共同消耗的能量,无法定位更小群神经元的活动,更不用说单一细胞了。要记录单一细胞的神经脉冲,必须在脑中植入比头发还细的微电极。这种技术不像fMRI一般普遍,而且只有在某些特殊的医疗状况下才可能允许在人类脑中植入这些电极。

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A ~u3v.t8C0其中一种状况就是治疗癫痫。当癫痫无法用药物控制时,病人可能得接受手术治疗。医疗团队必须先找到癫痫的起始位置(癫痫焦点),然后才可能移除该部位来治疗。一开始的评估方法是非侵入式的,例如透过脑造影、临床证据,以及电生理的病理讯号(从头壳上量到的脑电图中有密集的癫痫电位变化)。但是当这些方法都不能精确判定癫痫焦点时,在医院中,神经外科医师可以在颅内植入电极,持续数天监测分析癫痫的症状。心理学空间%Y4J4RowXHn

"^ vC0Q|!V0科学家有时候会请病人在这段期间参与实验,并记录下各种认知活动运作时的脑部变化。在加州大学洛杉矶分校,我们采用了一种独特的技术,以柔软的电极来记录颅内神经元的活动。这项技术是本文作者中的佛里德发展的,参与合作的还包括了加州理工学院的柯霍团队,以及英国莱斯特大学基洛加的实验室。这项技术提供了难得且独特的机会,可以直接记录清醒病人的单一神经元活动长达数天,藉此研究各种实验下神经的活动变化,例如观看笔记型计算机上的图片、记忆回想等。这就是我们发现珍妮弗安妮斯顿神经元,以及无意间重新引发雷特温寓言论战的过程。心理学空间z SM*{n|f `&x#w

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珍妮弗安妮斯顿神经元是否就是备受争议的祖母细胞?要回答这个问题,我们必须先精确定义祖母细胞。有一种极端的说法认为:单一神经元对应单一概念。但是如果我们可以找到对珍妮弗安妮斯顿有反应的神经元,那就强烈暗示还有更多这种细胞,毕竟要在几十亿个神经元中恰巧找到这唯一的一个,机率实在太低了。此外,如果只有一个神经元负责整个关于珍妮弗安妮斯顿的概念,那当这个细胞因疾病或意外而损毁或死亡时,所有关于珍妮弗安妮斯顿的记忆就会消失,这种情况的可能性似乎很低。心理学空间s7X }|q g0g(L;A^"Vt|

@/|L4W`1f&h[kivG0另一种较不极端的说法认为,有不只一个神经元对应到一个概念。这个假说可能正确,但却很难证实(如果可以证实的话)。我们不能无穷无尽去测试所有的概念以验证该神经元是否真的只对珍妮弗安妮斯顿有反应。事实上,真实情况通常刚好相反:神经元大多不只对一种概念有反应。因此,如果神经元在某个实验中只对某个人有反应,我们仍无法排除它可能也会对其他某些从未测试过的事物有反应。

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例如,在发现珍妮弗安妮斯顿神经元的隔天,我们拿更多与她有关的图片来重复实验,结果发现该细胞也会对莉萨库卓(「六人行」中另一位知名演员)有反应。此外,对天行者路克有反应的神经元,对尤达(另一位绝地武士)也有反应;另外有一个细胞对两位篮球选手有反应,还有一个细胞则对本文作者之一(基洛加)以及一些在加州大学洛杉矶分校中和病人有互动的同事有反应。不过在比较宽松的条件下,你仍可以主张这些细胞是广义的祖母细胞,换言之,它们可以代表「『六人行』中的金发女子」、「绝地武士」、「篮球选手」或者「与病人互动的科学家」。这种延伸的定义,让祖母细胞的讨论陷入了语义问题之中。心理学空间lP5P~nYI CK

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让我们先把语义的问题放一边,专注在这些珍妮弗安妮斯顿神经元的一些重要特征上。第一,我们发现每个细胞的反应都非常有选择性:每个细胞只会对少数的名人、政治人物、亲属、地标等事物有反应。第二,每个细胞都会对某个特定人物或地点的各种面向产生反应,这些细胞在遇到同一个人的照片、名字的文字或语音时,都有类似的反应,宛如藉由反应来说:「我知道这是珍妮弗安妮斯顿,无论她穿着红礼服、只显示侧身、只让我看到或听到名字时都一样。」换言之,这个细胞似乎对该事物的概念和表征有反应。因此,这些细胞或许更适合被称为「概念细胞」。概念细胞有时候会不只对一种概念产生反应,但通常这些概念彼此密切相关。

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少数神经元就能建立概念

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(M#Qv-\Uj0为了理解少数细胞和某些特定概念(例如珍妮弗安妮斯顿)产生连结的机制,我们要先知道大脑如何捕捉并储存周遭各种事物和人物影像的复杂过程。进入眼睛的信息(从眼球经由视神经)会先传送到头部后方的主要视觉皮质。该处的神经元会对影像中某个小部位的细节产生反应,这些细节就宛如数字影像中的画素,或是秀拉(Georges Seurat)画作中的彩点一般。

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so4c&I#m:B!VtC"y e w0一个神经元不足以辨识出它所见的一个小点是来自于一张脸、一个杯子或是艾菲尔铁塔。每个细胞都是群体的一部份,群体整合起来才能产生一张复合的图像,就像是秀拉的画作「杰特岛的星期日下午」。当影像稍微改变时,某些细节也会出现变化,相对应的神经元反应也会因此有所不同。心理学空间3fm7L[(^I

~5DA/P,raw@1o-Xh0大脑必须捕捉许多影像来处理知觉讯息,它要能够认出物体并和已知的知识做整合。影像所引发的神经活动,会从主要视觉皮质开始,经过一连串的皮质区域后到达较接近前额的脑区,这些高阶视觉区域中的神经元会对整张脸或整个物体、而非局部的细节有反应。光是一个这种高阶神经元就可以指出某个影像是脸而不是艾菲尔铁塔。当我们稍微改变图像,例如移动它或改变光照的方式时,图像的某些特征就会改变,但这些细胞并不太在乎这些细节变化,还是会做出大致相同的反应,这种特质称为「视觉不变性」(visual invariance)。心理学空间KSW1z'BX&Tc

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高阶视觉脑区的神经元会把讯息传送到内颞叶(海马回与周遭脑区),该处负责记忆功能,也是我们发现珍妮弗安妮斯顿神经元的地方。海马回中的神经元反应比高阶视觉脑区中的神经元更具有专一性,这里的每个细胞只对某个特定人物(更准确的说法是该人物的概念)有反应:不只对其脸孔和外表的各个面,也对密切相关的各种特质(例如名字)有反应。

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u&m{&\G AI~0在我们的研究中,我们试图探究需要多少神经元的活动才能呈现某个特定概念。我们想知道究竟是只需要一个、数十、数千、还是要数百万个细胞才够。换言之,呈现概念时所需神经元的「稀疏」(sparse)程度如何?很明显,这个数字无法直接测量,因为我们无法同时记录一个区域中所有的细胞活动。当时本文作者之一柯霍在加州理工学院的博士班研究生伟多(Stephen Waydo),以统计方法估算出单一概念所激发的神经元不会超过100万个(整个内侧颞叶约有10亿个神经元)。不过,我们采用的图片大多是病人非常熟悉的事物,会激发较多的反应,因此这个数字应该被视为上限。普通状况下,呈现一个概念所需的神经元是这个数字的1/10到1/100,可能非常接近雷特温的预测:每个概念由1万8000个神经元所呈现。

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E9zd!Y-zM0相对于上述的主张,有一个理由让有些人认为大脑并非用稀疏的神经元来呈现概念,而是利用非常大量神经元以分散(distributed)的方式来呈现概念,也就是说我们可能没有足够的神经元可以呈现所有可能的概念和产生的变化。我们有足够的脑细胞来记录微笑的祖母、编毛衣的祖母、喝茶与等巴士的祖母,以及向群众致意的英国女皇、沙漠星球上的年幼天行者路克和对抗黑武士的天行者路克等诸多概念吗?

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'{ q e)eE+i,i0要回答这个问题前,我们必须先考虑到一个事实:一般人通常不会有一万种以上的概念。而这个数字和内颞叶中10亿个神经元比较起来,并不多。此外,我们有很好的理由相信,概念是以非常有效率的稀疏方式储存并呈现的。内颞叶的神经元不在乎概念的细微变化,它们不管路克是坐或站,而只注意该事物是否和路克有关。它们会对某概念产生反应,而不在乎其呈现的方式。如果概念比较抽象(对路克的所有形象都产生反应),就可以降低神经元所需要存录的讯息,也能够让它变得比较有选择性(只对路克而不对珍妮弗安妮斯顿产生反应)。心理学空间$s(\%}-qq9K4?i(mq

dR*b c7@}6_1r'V0伟多的模拟研究更强调了这项可能性,他根据视觉讯息处理的细部模型建立了一套可以学习辨识许多无标示图片(飞机、汽车、摩托车和人脸)的软件仿真神经网络。这套软件可以在没有指导者的情况下学会辨识。在没有人告诉它「这是飞机、那是汽车」的情况下,它必须假设现实中各种图片都只是来自少量的人或物,而且每个人或物都只由一小撮神经元所负责(就跟我们在内颞叶中发现的情况一样),并藉此自己学会辨识。当这样的稀疏式呈现方式植入软件仿真后,该网络学会了辨识,即使图片中的人和物出现变化也没有问题,就像我们在人脑细胞中发现的反应。心理学空间8ay"y'_M*@$H,[

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为什么有概念细胞?

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@Wz_m)W0我们的研究与「大脑如何诠释外在世界并把知觉转变成记忆」这个问题密切相关。想想1953年的著名病例HM,他饱受无法治疗的癫痫之苦。为了停止癫痫,神经外科医师移除他的两侧海马回及周边脑区。手术后他仍可认得手术前认识的人事物,却无法形成新的长期记忆。没了海马回,他所经历的一切很快就消逝无踪。2000年的电影「记忆拼图」就是在描述类似的神经学症状。

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:Z_'mDF%F-b0HM的案例显示海马回以及内颞叶大致上并不是知觉所需的脑区,却是把短期记忆(可以暂时记住事物)转变成长期记忆(可以记住长达数小时、数天或数年)的关键。同样的,我们认为此脑区中的概念细胞是把意识内容(由感官刺激或内在回想所激起的任何内容)转变成长期记忆的关键(这些记忆产生后会储存在大脑其它皮质)。我们相信珍妮弗安妮斯顿神经元并非辨识或回忆起她所必需的细胞,而是把她置入意识以便形成新的连结和记忆(例如记得自己见过她的照片)的关键。心理学空间&^$h)q6x J*a d f

0_*yl5X;B/B0大脑可以利用少数概念细胞将一件事物的多种变化,归类成一个独特的概念(稀疏且不变的表征方式)。概念细胞的运作方法甚至可以用来解释我们的回忆机制:我们可以回忆起珍妮弗安妮斯顿和路克的样貌,但不会记得他们脸上所有的毛孔。我们既不需要也不想要记得周遭所有的细节。

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重要的是抓住各种情境中与我们有关之人或概念的主旨,而不是去记住多如牛毛且无意义的细节。当你在咖啡店遇到熟人,重要的是要记住会面中一些显著的事件,而不是对方的穿著与说出的每字每句,或是店里其它陌生顾客的长相。概念细胞通常会对与自己相关的事物有反应,因为我们一般会记得的事件都涉及了自己熟悉的人或事物,对于不甚相关的东西,我们是不会花心力去记住的。

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!V:yW;wR0Ts0记忆绝对不只是单一独立的概念。与珍妮弗安妮斯顿有关的记忆是一连串她(或她在「六人行」中所饰演角色)所参与的事件。一个完整的记忆片段涉及了许多不同但相关的概念,像是把珍妮弗安妮斯顿连结到你坐在沙发上大吃冰淇淋以及看「六人行」等概念。心理学空间 o_&R(xv!EWf

3Q.pX2Q&\0当两个概念连结时,有些原本只存录其中一个概念的神经元也会开始对另一个概念产生反应。这个假说替大脑存录关联性的方式提供了一个生理方面的解释。神经元会对相关概念产生反应的倾向或许正是产生情节记忆(例如咖啡店中发生的一连串事件)或意识流动(从一个概念自然的移动到另一个概念)的基础。我们看到珍妮弗安妮斯顿,该知觉就会引发关于电视、沙发和冰淇淋的记忆(和其它诸多观看「六人行」的记忆有关的概念)。同样的过程也会让同一个概念但存在于不同大脑皮质中的诸多面向产生连结,例如玫瑰的气味、外形、颜色以及质感,或是珍妮弗安妮斯顿的外表和声音。

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既然把高阶记忆储存成抽象概念有许多明显的优点,我们就可以接着问,为什么这些概念的表征必须散布在内颞叶中少数的神经元中。其中一种可能的答案来自仿真实验,结果显示,符合稀疏式的呈现方式乃是建立快速连结所必需的。心理学空间gl M2q1T

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这其中的技术细节非常复杂,但基本的想法很简单。假想你有一个关于咖啡店中那位熟人的分布式(相对于稀疏式)记忆,这种方式运用到许多神经元来存录这位熟人的所有特征。再假想你有另一个关于咖啡店的分布式记忆。当你要连结两者时,必须先把两个概念中所有不同细节的连结建立起来,但又不能把两者与其它概念相混淆(因为咖啡店看起来像是舒服的书店,那位熟人跟其它人看起来也有点像)。心理学空间 U f3z!p2e+}Z

zI+Ku-y[!T0要在分布式网络上建立这样的连结很花时间,而且容易产生记忆混淆。相形之下,要在稀疏式网络上建立这种连结,则只需要在负责两个概念的两群细胞间产生些许连结即可(仅需让几个细胞同时对两个概念产生反应就可达成),快又容易。另一个稀疏式的优点在于添加新概念并不会大幅改变网络其它部份。这种区隔在分布式网络中很难达成,因为新概念加入会让整个网络的边界产生变化。

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概念细胞把知觉和记忆连结在一起,它们透过抽象且稀疏的方式来呈现语意知识(生活周遭的人、物、地点等各种有意义的概念)。它们是我们生活中关于各种事件与事实记忆的基石,其巧妙的记录架构让心智可以忽视许多不重要的细节,并且萃取出其中意义,进一步产生新的关联和记忆,也存录了我们经验中值得保存的关键要素。

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j\8PNyFbB#@0概念细胞并不像是雷特温心中所想的祖母细胞,但它们可能是人类认知能力的重要神经基础,以及思想与记忆的要件。心理学空间5cW5IX ?{

http://www2.le.ac.uk/centres/csn/Publications/scientificamerican0213-30.pdf心理学空间#N1G(v6H3X0x#fC2[+g6dK

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