想象一下，当你走进一个房间，即使之前只去过一次，你也能迅速回忆起上次在那里的情景。这种对经历的时间结构进行编码的能力，是我们学习、记忆和预测未来事件的基础。最近，一项发表在《自然》（Nature）上的研究为我们揭示了人类大脑如何编码和理解时间与经验的流动（Tacikowski et al., 2024）。
以往的神经影像学研究利用大脑记录和神经成像来了解大脑如何处理空间导航，在动物和人体模型中显示大脑的两个区域——海马区和内嗅皮层——发挥着关键作用。这两个大脑区域对记忆功能都很重要，它们相互作用，绘制出一幅“认知地图”。海马神经元充当“位置细胞”，显示动物何时位于特定位置，类似于地图上的“X”，而内嗅神经元充当“网格细胞”，提供空间距离的度量。进一步的研究发现，类似的神经行为也能代表非空间经验，如时间、声音频率和物体特征。还有一项重要研究发现，人类海马和内嗅皮层中存在“概念细胞”，它们对特定的个体、地点或独特的物体做出反应，似乎是我们记忆能力的基础。
然而，这些方法通常缺乏对单个神经元层面的直接观察，因此具体的神经计算过程仍然不为人知。为了研究大脑对时间事件的处理，加州大学洛杉矶分校的研究人员利用了一种独特的实验设计。他们记录了17名因临床原因植入颅内电极的癫痫患者的单神经元活动。在实验中，参与者会看到一系列与特定人物相关的图片，这些图片按照一个金字塔结构图的顺序展示。研究人员记录了参与者在完成行为任务、模式识别和图像排序等复杂程序时的神经活动。
首先，研究人员对参与者进行初步筛选，在大约40分钟的时间里，电脑上反复播放了大约120幅人物、动物、物体和地标性建筑的图像。图像包括著名演员、音乐家和地名，部分是根据每个参与者的喜好选择的。参与者被要求完成各种任务，如判断图像显示的是男性还是女性，或者与前一阶段相比，给定图像是否是镜像。
随后，参与者们完成三阶段的实验，他们针对任意显示在金字塔形图形不同位置上的图像执行任务。实验分为三个阶段：预曝光（PRE）、曝光（E1-E6）和后曝光（POST）。在预曝光阶段，图片以随机顺序展示，而在曝光阶段，图片的展示顺序受到金字塔结构的限制，只有直接连接的图片才会连续展示。后曝光阶段与预曝光阶段相似，没有金字塔规则的限制。
单个神经元活动的变化
研究人员发现，海马和内嗅皮层的神经元逐渐改变它们的活动模式，以编码复杂图像展示序列的时间结构。这种表征形式迅速形成，并在规定的体验不再存在时仍然持续存在。
群体神经元活动的重映射
进一步的分析显示，从海马-内嗅皮层神经元群体活动中提取的结构图，与定义序列的结构图非常相似，同时反映了即将到来的刺激的概率。
序列图的学习
研究还发现，与个体神经元活动的时间压缩重放相对应的，是序列图的学习。这表明，即使是在休息或睡眠时，大脑也会通过重放特定的神经元放电序列来巩固记忆。
总之，该研究发现特定类型的脑细胞的发射方式在很大程度上反映了一个人经历的顺序和结构。在经历结束后，大脑会保留这些独特的发射模式，并能在休息时快速重放。此外，大脑还能利用这些学习到的模式，在体验结束后为未来的刺激做好准备。
这项研究首次向我们展示了大脑是如何利用类比的机制来表征空间和时间这两种看似截然不同的信息类型的，凸显了大脑在不断变化的环境中预测未来事件的复杂性。其意义在于，揭示了人类大脑如何在神经元层面上编码和处理我们的日常经历。这不仅为我们理解记忆和学习提供了新的视角，还可用于开发神经假体设备，以增强记忆和其他认知功能，并对人工智能理解人脑认知产生影响。
参考文献
Tacikowski, P., Kalender, G., Ciliberti, D. & Fried, I. (2024). Human hippocampal and entorhinal neurons encode the temporal structure of experience. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07973-1
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2023年1月
