無論是橄欖球運動員、機場交通管制員還是在公園中緊盯自己孩子的父母，我們總能靠大腦記下自己看到的一切。即使是暫時移開視線，剛剛看到的一切也仍然印在我們的腦海中。這種“視覺工作記憶”的能力似乎天然存在，不摻雜任何負擔。但麻省理工學院的一項最新研究表明，大腦在此期間實際是在高強度運轉(zhuǎn)。每當有關鍵物體在我們的視野中移動時（無論是因為物體本身移動，還是我們的目光游移），大腦都會在相對大腦半球的神經(jīng)元之間重新編碼，由此實現(xiàn)記憶的即時轉(zhuǎn)移。

這項發(fā)現(xiàn)已經(jīng)由Picower學習與記憶研究所的神經(jīng)科學家們發(fā)表在《自然》雜志上。從動物實驗的角度解釋，我們視覺系統(tǒng)的基礎布局，需要將左腦觀看到的內(nèi)容映射至右腦，并將右腦觀看到的內(nèi)容映射至左腦。

Picower研究所Earl Miller教授指導的在讀博士后、論文一作Scott Brincat提到，“人類必須有能力把握事物在真實場景中的位置，無論看向哪里，都必須時刻了解位置信息。因為在我們移動視線時，大腦從外部世界獲得的表示總會有所改變。”

在實驗當中，Brincat、Miller及其合作者發(fā)現(xiàn)，當一個物體在視野中轉(zhuǎn)換時，大腦會迅速利用腦波頻率同步性的顯著變化，將信息從大腦一側(cè)引導至另一側(cè)。這種轉(zhuǎn)移在幾毫秒內(nèi)即可完成，其在另一大腦半球的前額葉皮層中募集一組新的神經(jīng)元，用以存儲記憶信息。這種新的神經(jīng)元集合將根據(jù)對象的新位置對對象進行編碼，而大腦將繼續(xù)把該對象識別為之前另一半球視野中的對象。

Miller提到，這種在視野任意活動的同時始終牢記事物相對位置的能力，是我們自由控制視線的基礎。運動員們可以將視野中的圖像在左右腦之間往來轉(zhuǎn)移，而不必擔心自己忘記剛剛看到的某一側(cè)情況。即使改變視線位置甚至超出視野以外，運動員仍然可以大體推斷當前球場上的戰(zhàn)況。

Miller提到，“如果沒有這種能力，我們將是簡單的生物，只能對環(huán)境中當下發(fā)生的一切做出反應，僅此而已。但好在我們可以牢記事物，對自己的行為做出主動控制。換言之，我們不必立即做某些內(nèi)容做出反應，而是將場景記憶下來以備后用。”

往來轉(zhuǎn)移

在實驗室中，研究人員們測量了動物在嬉戲時兩個大腦半球前額葉皮層中數(shù)百個神經(jīng)元的活動。這些動物的視線被固定在屏幕一側(cè)，物體（例如香蕉）圖像只會暫時出現(xiàn)在屏幕中央。這時，動物只能通過某一側(cè)的視野看到該物體，而且由于腦內(nèi)的交叉“布線”，物體只在一側(cè)的半球皮質(zhì)上接受處理。動物必須牢記此圖像，而后判斷呈現(xiàn)的圖像中是否存在其他物體（例如蘋果）。但在某些試驗中，在將原始物體保存在工作記憶中后，動物被引導將視頻從一側(cè)轉(zhuǎn)換到另一側(cè)，借此實際轉(zhuǎn)換了記憶圖像的所在側(cè)。

很明顯，動物能夠準確記住所呈現(xiàn)圖像與之前的圖像是否匹配；但在被迫不斷轉(zhuǎn)換視線的情況下，這種判斷能力受到了一點影響。Brincat認為，這樣的錯誤表明，大腦也需要開足馬力才能處理好記憶內(nèi)容與所見內(nèi)容之間的差異。

他強調(diào)，“這種能力似乎天然存在，不摻雜任何負擔，但大腦在此期間實際是在高強度運轉(zhuǎn)。”

為了分析動物們大腦中的實際處理過程，該團隊訓練出一種解碼程序，用以識別圖像記憶中神經(jīng)活動原始數(shù)據(jù)的具體模式。正如所料，分析結(jié)果表明大腦對于半球內(nèi)的每個圖像進行了信息編碼，而信息指示的位置與對象在視野中的實際位置相反。更值得注意的是，試驗證明在動物視線跨屏幕切換的情況下，編碼記憶信息的神經(jīng)活動也會從一個大腦半球轉(zhuǎn)移至另一大腦半球。

研究小組還衡量了動物神經(jīng)元集體活動或腦電波的整體節(jié)律。他們發(fā)現(xiàn)，記憶在從一個半球向另一個半球轉(zhuǎn)移時，始終伴隨著一種標志性的節(jié)律變化。隨著信息傳輸?shù)倪M行，低頻“θ”波（約4-10赫茲）和高頻“β”波（約17-40 Hz）會在另一半球上同步上升，而“α/β”波（?11-17 赫茲）則同步下降。

這種節(jié)律的波動模式，也在Miller實驗室中關于皮質(zhì)如何使用節(jié)律變化傳遞信息的研究中得到了驗證。低頻與高頻節(jié)律組合的增加，代表對感官信息（即動物剛剛看到的事物表示）進行編碼或調(diào)用。α/β頻率范圍內(nèi)的功率增加會抑制編碼，由此構成感官信息處理的一種“門”機制。

Miller提到，“這是另一種形式的門，其中由α/β控制大腦兩個半球之間的記憶傳輸。”

意外發(fā)現(xiàn)

但除了節(jié)律模式之外，研究人員還得出另一個驚人的發(fā)現(xiàn)：對于特定視野中同一位置相同物體的圖像，如果初始觀看的大腦半球不同，則前額葉皮層會使用不同的神經(jīng)元進行重現(xiàn)，而非從另一半球處轉(zhuǎn)移記憶。換句話說，與先前在右側(cè)看到香蕉、再將記憶轉(zhuǎn)移到左側(cè)的動物相比，先在視野左側(cè)看到香蕉的動物會使用不同的神經(jīng)元集合來表示此記憶。

對Miller來說，這一發(fā)現(xiàn)有著令人著迷的意義。神經(jīng)科學家曾認為單個神經(jīng)元就是大腦功能中的基本單位，但最近人們開始傾向于神經(jīng)元集合才是這種基本單位。而此次新發(fā)現(xiàn)表明，即使是完全相同的信息，仍然可以由不同的、任意組成的神經(jīng)元集合進行編碼。

Miller推測稱，“這些集合似乎也不是大腦的基本功能單元。那么，大腦的功能單元到底是什么？也許是大腦神經(jīng)網(wǎng)絡活動創(chuàng)造的計算空間。”

除了Crinlith以及Mikael Lundqvist也參與了論文編撰。

此項研究由國立心理健康研究所、海軍研究辦公室、JPB基金會以及國立普通醫(yī)學科學研究所提供資金支持。除了Crincat與Miller之外，Jacob Donoghue、Meredith Mahnke、Simon Kornblith以及Mikael Lundqvist也參與了論文編撰。