每次醒來(lái)的時(shí)候，人類(lèi)和其他動(dòng)物都要整理過(guò)去的記憶，并準(zhǔn)備好迎接新的記憶。

我們必須吸收關(guān)于我們周?chē)澜绲男碌母泄傩畔?，同時(shí)保留對(duì)早期觀察或事件的短期記憶。我們了解周?chē)h(huán)境，學(xué)習(xí)，行動(dòng)和思考的能力都取決于感知和記憶之間持續(xù)不斷的交互。

但是要做到這一點(diǎn)，大腦必須使過(guò)去和記憶保持分離，否則新傳入的數(shù)據(jù)流可能會(huì)干擾先前的記憶，并導(dǎo)致我們覆蓋或誤解重要的上下文信息。

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大量研究表明，大腦不會(huì)將短期記憶功能整齊地分配到諸如前額葉皮層等更高的認(rèn)知區(qū)域，表示經(jīng)歷的感覺(jué)區(qū)域和其他下皮質(zhì)中心也可以編碼和存儲(chǔ)記憶。

但是，這些回憶不能干擾我們對(duì)當(dāng)下的看法，或者被新的經(jīng)歷覆蓋掉。

最近在《自然神經(jīng)科學(xué)》上發(fā)表的一篇論文「可能」最終解釋了大腦的保護(hù)性緩沖液是如何工作的。

研究人員認(rèn)為，為了在不相互干擾的情況下同時(shí)表示當(dāng)前和過(guò)去的刺激，大腦本質(zhì)上是「旋轉(zhuǎn)」感覺(jué)信息以將其編碼為記憶。

如果用數(shù)學(xué)方法解釋?zhuān)瑥闹丿B的神經(jīng)活動(dòng)中得出兩個(gè)正交的表示，那么他們就不會(huì)互相干擾。這個(gè)機(jī)制有助于解決有關(guān)記憶處理的爭(zhēng)論。

為了弄清楚大腦如何防止新信息和短期記憶模糊在一起，普林斯頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Timothy Buschman和他實(shí)驗(yàn)室的研究生Alexandra Libby決定專(zhuān)注于小鼠的聽(tīng)覺(jué)感知。他們讓小鼠們一遍又一遍地聽(tīng)四個(gè)和弦的音序，這就是Buschman所說(shuō)的「史上最爛的音樂(lè)會(huì)」。

這場(chǎng)「音樂(lè)會(huì)」讓小鼠可以在某些和弦之間建立關(guān)聯(lián)，因此當(dāng)他們聽(tīng)到一個(gè)初始和弦與另一個(gè)和弦時(shí)，他們可以預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)出什么樣的聲音。

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同時(shí)，研究人員還訓(xùn)練了機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)器，以分析在這些聽(tīng)覺(jué)過(guò)程中從嚙齒動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)皮層記錄的神經(jīng)活動(dòng)，用來(lái)確定每個(gè)神經(jīng)元如何集體代表序列中的每個(gè)刺激。

Buschman和Libby觀察了這些模式在老鼠建立聯(lián)系時(shí)是如何變化的，他們發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的流逝，相關(guān)和弦的神經(jīng)表示開(kāi)始逐漸接近。

但是他們還觀察到，新的感覺(jué)輸入（例如不熟悉的和弦序列）可能會(huì)通過(guò)覆蓋其先前輸入的表示來(lái)干擾小鼠對(duì)所聽(tīng)到聲音的表示。

神經(jīng)元遞歸地改變其對(duì)過(guò)去刺激的編碼，以匹配與后來(lái)刺激相關(guān)的動(dòng)物，即使那是錯(cuò)誤的。研究人員想確定大腦如何糾正這種干擾來(lái)保持準(zhǔn)確的記憶。

因此，他們訓(xùn)練了另一個(gè)分類(lèi)器，以識(shí)別和區(qū)分和弦記憶的神經(jīng)模式。例如，一個(gè)未知的和已知的和弦對(duì)神經(jīng)元的發(fā)射方式影響。

分類(lèi)器的確從聽(tīng)過(guò)的和弦記憶中找到了完整的活動(dòng)模式，而不是迭代地寫(xiě)出錯(cuò)誤的「更正」來(lái)維持較早的關(guān)聯(lián)，但是這些記憶的編碼看起來(lái)與感覺(jué)的表達(dá)方式大不相同。

記憶表示是按照神經(jīng)科學(xué)家描述為感覺(jué)表示的「正交」維度來(lái)組織的，所有這些都在相同的神經(jīng)元群體內(nèi)。

Buschman做了一個(gè)比喻，想象你在一張紙上做手寫(xiě)筆記，您將紙張旋轉(zhuǎn)90度并開(kāi)始在頁(yè)邊空白處書(shū)寫(xiě)，這基本上就是大腦在做的事情。它獲得了第一個(gè)感覺(jué)輸入，然后將其寫(xiě)在紙上，然后將其旋轉(zhuǎn)90度，以便可以在不干擾或字面覆蓋的情況下以新的感覺(jué)輸入進(jìn)行書(shū)寫(xiě)。

換句話說(shuō)，感覺(jué)數(shù)據(jù)通過(guò)神經(jīng)元放電模式的改變而轉(zhuǎn)變?yōu)橛洃洝?/p>

以前已經(jīng)見(jiàn)過(guò)使用正交編碼來(lái)分離和保護(hù)大腦中的信息。例如，當(dāng)猴子準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)皮層中的神經(jīng)活動(dòng)代表了潛在的運(yùn)動(dòng)，但正交地這樣做是為了避免干擾將實(shí)際命令傳遞給肌肉的信號(hào)。

盡管如此，通常還不清楚神經(jīng)活動(dòng)如何以這種方式轉(zhuǎn)化。布希曼和利比想回答這個(gè)問(wèn)題，以了解他們?cè)谛∈蟮穆?tīng)覺(jué)皮層中觀察到了什么。利比說(shuō)：“當(dāng)我剛開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，我很難想象這樣的事情會(huì)隨著神經(jīng)激發(fā)活動(dòng)而發(fā)生。” 她想“打開(kāi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為創(chuàng)建這種正交性所做的工作的黑匣子”。

令研究人員驚訝的是，穩(wěn)定和轉(zhuǎn)換神經(jīng)元的這種結(jié)合足以旋轉(zhuǎn)感覺(jué)信息并將其轉(zhuǎn)化為記憶。

實(shí)際上，他和利比（Libby）使用計(jì)算建模方法來(lái)證明，這種機(jī)制是構(gòu)建感覺(jué)和記憶的正交表示的最有效方法：與其他方法相比，它需要更少的神經(jīng)元和更少的能量。

Buschman和Libby的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了神經(jīng)科學(xué)的新興趨勢(shì)：即使是在較低的感覺(jué)區(qū)域，神經(jīng)元的群體也比以前認(rèn)為的參與了更豐富的動(dòng)態(tài)編碼。薩塞克斯大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Miguel Maravall表示，食物鏈中較低的皮質(zhì)部分也具有非常有趣的動(dòng)態(tài)，也許直到現(xiàn)在我們還沒(méi)有真正欣賞到它。

這項(xiàng)工作可能有助于調(diào)和正在進(jìn)行的辯論的兩個(gè)方面，即關(guān)于短期記憶是通過(guò)恒定的，持久的表示還是通過(guò)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)神經(jīng)代碼來(lái)保持。Buschman認(rèn)為他們的研究成果表明他們基本上證明了這種想法是對(duì)的，正交旋轉(zhuǎn)有助于防止干擾。

Buschman和Libby的研究可能與感官表征之外的背景相關(guān)。他們和其他研究人員希望在其他過(guò)程中尋找這種正交旋轉(zhuǎn)的機(jī)制：大腦如何立即跟蹤多個(gè)想法或目標(biāo)；在處理干擾的同時(shí)如何完成任務(wù)；它如何代表內(nèi)部狀態(tài)；如何控制認(rèn)知，包括注意力過(guò)程。

Libby認(rèn)為他們的結(jié)果對(duì)人工智能研究的意義重大，特別是對(duì)必須執(zhí)行多任務(wù)的AI網(wǎng)絡(luò)有用的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。