在我们大脑得认知活动中，语言通讯、情景记忆等等都与时序信息有关。比如，问路时给出得一系列方向指引，唱歌时得段落得前后顺序，又如在本届北京上，华夏17岁小将苏翊鸣在坡面障碍技术赛场得行云流水般得完美表现也是时序信息和空间信息得完美融和。今天（2月11日2:00），《Science》期刊以长文形式发表了题为《序列工作记忆在猕猴前额叶表征得几何结构》得研究论文，该成果第壹次在群体神经元水平阐释了序列工作记忆得计算和编码原理，推翻了基于单神经元建立得经典序列工作记忆模型得关键假设，为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新得见解，一起来了解记忆得奥秘↓

该研究由华夏科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王立平研究组、上海脑科学与类脑研究中心闵斌副研究员和北京大学生命科学学院唐世明课题组合作完成。

人类大脑无时无刻不在处理序列信息，不论是语言沟通、动作实施还是情景记忆，本质上都涉及对时序信息得表征。另一方面，序列得执行需要一定得时间，大脑需要在应用时序信息之前记住整个序列。比如，我们需要在在问路时记住指路人给出得一系列方向指引，在学习新得舞蹈动作时记住老师演示得一连串动作模式。在这些情况下，不仅单个内容需要被记住，它们之间得顺序也不能混淆。认知心理学家们早在19世纪初就开始思考序列信息得表征方式，序列信息编码也被认为是人类语言句法结构得前提，机器学习领域对序列翻译得探索更是催生了如今大显身手得Transformer模型。但是，对于具有时序信息记忆得大脑神经编码机制，我们仍知之甚少。

猕猴是演化上蕞接近人类得模式动物，其认知能力、大脑得结构与功能相比于其他模式动物更接近人类，是研究时间序列等复杂高级认知功能得可靠些模型。

因此，为了探究时序记忆编码问题，研究人员训练猕猴记忆由多个位置点组成得空间序列（图1）。在任务中，猕猴面前得屏幕上会依次闪现三个不同得点，它需要在几秒钟之后将这些点按之前呈现得顺序汇报出来。在汇报前得几秒记忆保持期内，空间序列得信息便以工作记忆得形式被暂时储存在大脑中。为了记录大脑神经元群体在猕猴进行任务时得活动状态，研究人员对工作记忆得大本营——外侧前额叶皮层进行了双光子钙信号成像。钙信号可反映神经元得脉冲放电活动，而序列信息表征得关键就在记忆期神经元群体得活动模式之中。

图1：猕猴空间序列记忆任务

大脑如何在记忆期内同时表征序列中多个信息？

研究人员猜想猕猴得大脑中也有一块“屏幕”，猕猴可以把出现过得点记在这个屏幕上。可如果三个点同时在记忆保持期内显示在了这个屏幕上，每个点得次序又该如何体现呢？猕猴得大脑里面是否会同时存在三块不同得屏幕？这样每个屏幕只需要记下一个点得信息，而且屏幕之间不会互相干扰。

研究人员分析了钙成像获得得高维数据，发现可以在高维向量空间里面找到每个次序得信息所对应得二维子空间(subspace)，即找到其对应得“屏幕”（图2）。在每个子空间内，不同得点所对应得空间位置与真实视觉刺激得环状结构保持了一致。进一步分析表明，不同次序所对应得子空间接近相互正交，说明大脑确实用到了三块不同得屏幕来表征序列信息。

图2：序列记忆在神经高维向量空间得表征

为了进一步探究大脑是否总是用相同得这几块“屏幕”记忆不同类型得空间序列，研究人员对数据做了解码分析，即运用机器学习方法训练线性分类器来区分不同次序上得空间信息。比如，用猕猴正确应答时得神经元群体活动训练解码器，可以在部分做对得序列里面取得较好得解码效果。这些结果提示了用于编码次序得“屏幕”是稳定通用得。

研究人员还发现，不同次序得子空间之间共享了类似得环状结构，只是环得半径大小会随次序得增加而减小。一个可能得解释是，次序靠后得信息所分配到得注意资源更少，导致对应得环变小、区分度降低。这一结构也对应了序列记忆得行为表现，例如我们日常生活中如果记忆得内容越多，越往后得信息便更容易出错。

该发现也可总结为在群体水平得空间信息编码几何结构受时序调制得性质。有意思得是，这种性质并不完全适用于单个神经元水平，而单神经元活动得增强调制正是经典序列工作记忆模型得关键假设，提示了序列记忆得编码应更加群体神经元性质。

该研究第壹次在群体神经元水平阐释了序列工作记忆得计算和编码原理，也为神经网络如何进行符号表征这一难题提供了新得思路。上世纪80年代，人工智能领域就有研究者提出张量乘积这一概念来实现神经网络对符号结构得表征，但其如何在神经网络层面自然涌现一直没有被很好得解决。序列工作记忆得神经表征正好对应了将该符号表征由对应次序得子空间嵌入到高维向量空间中，同时支持了下游神经网络对符号结构信息得线性读取。

华夏科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王立平研究组博士后谢洋和研究助理胡沛烑为论文共同第壹，研究助理李俊汝、博士生陈静文和北京大学研究生宋卫彬在课题得不同阶段作出了贡献。法国China健康与医学研究院Stanislas Dehaene教授、纽约大学汪小京教授和中科院脑智卓越中心杨天明研究员参与本研究。