AI模型新革命來了？大腦記憶是旋轉的？過去未來竟是「正交」空間
每次醒來的時候，人類和其他動物都要整理過去的記憶，并準備好迎接新的記憶。
我們必須吸收關于我們周圍世界的新的感官信息，同時保留對早期觀察或事件的短期記憶。我們了解周圍環境，學習，行動和思考的能力都取決于感知和記憶之間持續不斷的交互。
但是要做到這一點，大腦必須使過去和記憶保持分離，否則新傳入的數據流可能會干擾先前的記憶，并導致我們覆蓋或誤解重要的上下文信息。
大量研究表明，大腦不會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知區域，表示經歷的感覺區域和其他下皮質中心也可以編碼和存儲記憶。
但是，這些回憶不能干擾我們對當下的看法，或者被新的經歷覆蓋掉。
最近在《自然神經科學》上發表的一篇論文「可能」最終解釋了大腦的保護性緩沖液是如何工作的。
研究人員認為，為了在不相互干擾的情況下同時表示當前和過去的刺激，大腦本質上是「旋轉」感覺信息以將其編碼為記憶。
如果用數學方法解釋，從重疊的神經活動中得出兩個正交的表示，那么他們就不會互相干擾。這個機制有助于解決有關記憶處理的爭論。
為了弄清楚大腦如何防止新信息和短期記憶模糊在一起，普林斯頓大學的神經科學家Timothy Buschman和他實驗室的研究生Alexandra Libby決定專注于小鼠的聽覺感知。他們讓小鼠們一遍又一遍地聽四個和弦的音序，這就是Buschman所說的「史上最爛的音樂會」。
這場「音樂會」讓小鼠可以在某些和弦之間建立關聯，因此當他們聽到一個初始和弦與另一個和弦時，他們可以預測會發出什么樣的聲音。
同時，研究人員還訓練了機器學習分類器，以分析在這些聽覺過程中從嚙齒動物的聽覺皮層記錄的神經活動，用來確定每個神經元如何集體代表序列中的每個刺激。
Buschman和Libby觀察了這些模式在老鼠建立聯系時是如何變化的，他們發現，隨著時間的流逝，相關和弦的神經表示開始逐漸接近。
但是他們還觀察到，新的感覺輸入（例如不熟悉的和弦序列）可能會通過覆蓋其先前輸入的表示來干擾小鼠對所聽到聲音的表示。
神經元遞歸地改變其對過去刺激的編碼，以匹配與后來刺激相關的動物，即使那是錯誤的。研究人員想確定大腦如何糾正這種干擾來保持準確的記憶。
因此，他們訓練了另一個分類器，以識別和區分和弦記憶的神經模式。例如，一個未知的和已知的和弦對神經元的發射方式影響。
分類器的確從聽過的和弦記憶中找到了完整的活動模式，而不是迭代地寫出錯誤的「更正」來維持較早的關聯，但是這些記憶的編碼看起來與感覺的表達方式大不相同。
記憶表示是按照神經科學家描述為感覺表示的「正交」維度來組織的，所有這些都在相同的神經元群體內。
Buschman做了一個比喻，想象你在一張紙上做手寫筆記，您將紙張旋轉90度并開始在頁邊空白處書寫，這基本上就是大腦在做的事情。它獲得了第一個感覺輸入，然后將其寫在紙上，然后將其旋轉90度，以便可以在不干擾或字面覆蓋的情況下以新的感覺輸入進行書寫。
換句話說，感覺數據通過神經元放電模式的改變而轉變為記憶。
以前已經見過使用正交編碼來分離和保護大腦中的信息。例如，當猴子準備運動時，運動皮層中的神經活動代表了潛在的運動，但正交地這樣做是為了避免干擾將實際命令傳遞給肌肉的信號。
盡管如此，通常還不清楚神經活動如何以這種方式轉化。布希曼和利比想回答這個問題，以了解他們在小鼠的聽覺皮層中觀察到了什么。利比說：“當我剛開始在實驗室工作時，我很難想象這樣的事情會隨著神經激發活動而發生。” 她想“打開神經網絡為創建這種正交性所做的工作的黑匣子”。
令研究人員驚訝的是，穩定和轉換神經元的這種結合足以旋轉感覺信息并將其轉化為記憶。
實際上，他和利比（Libby）使用計算建模方法來證明，這種機制是構建感覺和記憶的正交表示的最有效方法：與其他方法相比，它需要更少的神經元和更少的能量。
Buschman和Libby的發現推動了神經科學的新興趨勢：即使是在較低的感覺區域，神經元的群體也比以前認為的參與了更豐富的動態編碼。薩塞克斯大學的神經科學家Miguel Maravall表示，食物鏈中較低的皮質部分也具有非常有趣的動態，也許直到現在我們還沒有真正欣賞到它。
這項工作可能有助于調和正在進行的辯論的兩個方面，即關于短期記憶是通過恒定的，持久的表示還是通過隨時間變化的動態神經代碼來保持。Buschman認為他們的研究成果表明他們基本上證明了這種想法是對的，正交旋轉有助于防止干擾。
Buschman和Libby的研究可能與感官表征之外的背景相關。他們和其他研究人員希望在其他過程中尋找這種正交旋轉的機制：大腦如何立即跟蹤多個想法或目標；在處理干擾的同時如何完成任務；它如何代表內部狀態；如何控制認知，包括注意力過程。
Libby認為他們的結果對人工智能研究的意義重大，特別是對必須執行多任務的AI網絡有用的體系結構的設計。
