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分身乏术:一次做太多事让大脑同步失效

   时间: 2020-06-19   来源: T亮生活 阅读: 436

分身乏术:一次做太多事让大脑同步失效

编译|Mumu Dylan

  1956年,着名认知心理学家乔治‧米勒(George Miller)发表了该领域最常被引用的论文〈神奇的数字:7±2〉(The Magical Number Seven, Plus or Minus Two),他认为虽然大脑能够以数万亿的神经连结储存资讯,但人类在有意识下维持的短期记忆广度却十分有限,平均来说大概只有七个单位。

  这些单位可以是一串阿拉伯数字、散落在房间的物品、清单中的单字,或者重叠的声音。无论它们是什幺,总之只有七个单位可进到所谓的「工作记忆」,让我们专注在某件事或其他认知过程。它们在工作记忆中维持的时间短暂且有限:当人类不再主动去思考它们,就会被储存到别处或乾脆忘掉。

  自米勒发表论文以来,许多神经科学家和心理学家不断研究工作记忆,以及小得惊人的容量限制。科学家后来发现,这个限制可能少于七,反而更接近四或五个单位。他们还研究人类如何应付工作记忆容量小的问题:透过「意元集组」(chunking)记住。例如背电话号码的数字时,将1和4记忆为一个14的组合;或者发展从长期记忆提取记忆的技巧。

  但是,有个问题科学家始终未能找到答案:为什幺只要超过工作记忆的容量限制,讯息就会开始衰退?科学家发现任何超过容量限制的尝试,皆会导致讯息退化:神经元变得「更稀薄」、大脑节律发生变化,记忆也会随之崩溃。而这种情况似乎更常发生在被诊断出神经系统疾病(例如思觉失调症)的患者身上。

  然而,导致记忆崩溃的机制直到现在还是未知数。

分身乏术:一次做太多事让大脑同步失效

  三月份发表在《大脑皮质》(Cerebral Cortex)的论文中,三位科学家发现大脑不同区域之间「回馈信号」的明显减弱,是导致细胞凋亡的原因。这项研究不仅对记忆功能与障碍问题提出见解,也为大脑如何处理讯息的新兴理论提供进一步的证据。

  三位科学家分别为麻省理工学院皮考尔学习和记忆研究所(Picower Institute for Learning and Memory)的神经科学家厄尔‧米勒(Earl Miller)、该实验室的研究人员德米崔斯‧皮纳西斯(Dimitris Pinotsis),以及普林斯顿大学助理教授提摩西‧布施曼(Timothy Buschman)。他们想知道究竟是什幺原因,让大脑将工作记忆的容量限制设定成这幺低。

  他们已经知道三个大脑区域的网络(前额叶皮质,额叶眼动区和顶内叶区)在工作记忆中非常活跃,但是他们还没有观察过记得或不记得时的神经活动变化,特别是工作记忆超出容量限制的时候。

  因此,他们使用米勒实验室几年前进行的工作记忆实验。在这项实验中,科学家向猴子展示一系列画面:首先是一组彩色方块,接着是空白画面,然后再次呈现最初的彩色方块,但偷偷改变其中一格的颜色,而猴子必须找出画面之间的差异。最重要的是:方块数量有时会低于工作记忆的容量限制,而有时则高于限制。放置在猴子脑内深处的电极,记录下各个神经元完成每项任务所产生的脑波的时间与频率。

  这些脑波其实是数百万个神经元协调运作的韵律,它们同时变得活跃或静止。当大脑区域在时间和频率上都呈现出匹配的振动时,这种情况被称为「同步」。米勒说:「这就像它们在合唱,哼唱的神经元正在彼此对话。」

  在最近的研究中,米勒和同事重新挖掘从猴子身上蒐集到振动数据,希望找到三个大脑区域组成的记忆网络运作的线索。他们根据过去的研究,建立更详细的机制模型,其中包含网络结构与行为的假设:例如特定神经元集群的位置和特性(例如兴奋或抑制),以及某些振动的频率。随后研究人员对「不同大脑区域如何互相交谈」的问题提出几种彼此互斥的假设,这些差异包括交谈的方向和强度。接着比对模型的计算结果与实验数据,来确定哪种假设最有可能正确。

分身乏术:一次做太多事让大脑同步失效

  他们的模型证实,这三个大脑区域彷彿杂技表演者做出複杂的抛接动作。前额叶皮质似乎协助大脑构建出内部模型的世界,发送「由上而下」的回馈信号传递给低级别的大脑区域。与此同时,额叶眼动区和顶内叶区以「由下而上」的前馈信号形式,将原始感觉输入传递至前额叶皮质较深的区域。透过由上而下的模型与由下而上的感官讯息之间的差异,大脑根据两者判断身体正在经历什幺,并相应地调整其内部模型。

  米勒和同事发现,当猴子需要记住的方块数量超过工作记忆的限制时,从前额叶皮质至其他两个区域的由上而下回馈信号就会崩溃,但前馈信号仍会维持正常持续传输。根据科学家的理论模型,随着回馈信号减弱最终导致大脑区域之间失去同步性,失去前额叶皮质的预测信号后,工作记忆的网络就会失去同步。

  但为什幺由上而下的回馈信号,很容易因为记忆的数量增加受到影响呢?科学家的假设是:来自前额叶皮质的模型讯息实际上代表一组大脑对于「外部世界在感知什幺」的预测,在这项实验中即为工作记忆所储存的物品内容。

  许多神经科学家认为,大脑在执行日常认知和指令活动时,大多依靠感觉讯息的「预测性编码」。而米勒和同事推测,当工作记忆中储存的数量过多时,大脑很难将这些东西的预测编写到回馈信号。于是,随着回馈信号崩溃,过载的工作记忆系统也随之故障。

  米勒的实验室和其他科学家正致力找出答案,观察脑波之间的相互作用是否在工作记忆模型中扮演更重要的角色,传统理论模型大多只将重点放在个别神经元的发送行为。目前还在研究为何工作记忆的上限只能在四至五个单位之间,而不是其他的数字。米勒认为大脑就像杂技表演者,手里一次只有一颗球,必须不断抛接处理,而大脑也是这样按部就班地交替处理工作记忆里的所有东西,他说:「这意味着所有讯息都得编写至一个脑波,当脑波的容量用满时,也就达到工作记忆的极限。」

参考报导:Wired

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