大脑如何在无需意识思考的情况下检测日常生活中的模式

https://www.nature.com/articles/d41586-024-03116-8 

某些大脑区域的神经元整合了“什么”和“何时”的信息，以实时识别事件中的隐藏秩序。

海马体（如图）中的神经元帮助在涌入大脑的大量信息中挑选出模式。

一项对因医疗原因植入电极的人脑组织中的神经活动进行的研究1发现，人类大脑不断在日常经验中识别模式——并且可以在没有意识思考的情况下做到这一点。

研究显示，关键大脑区域的神经元结合了发生的事件及其发生时间的信息，使大脑能够在事件随时间展开时识别出其中的模式。作者表示，这有助于大脑预测即将发生的事件。该成果今天发表在《自然》杂志上。

挪威科技大学特隆赫姆分校的神经科学家Edvard Moser说：“大脑做了很多我们并未意识到的事情，这也不例外。”

数据风暴

为了理解我们周围的世界，大脑必须处理关于发生了什么、在哪里发生以及何时发生的信息洪流。研究的作者想要探索大脑如何随时间组织这些信息——这是学习和记忆的关键步骤。

研究团队研究了17名患有癫痫并准备接受手术治疗而在其大脑中植入电极的患者。这些电极使作者能够直接捕捉多个大脑区域中单个神经元的活动。

其中包括海马体和内嗅皮层，这些区域涉及记忆和导航。这些区域包含时间和地点细胞，作为身体的内部时钟和GPS系统，编码时间和位置。“所有进入我们大脑的外部世界都必须通过那个系统过滤，”加州大学洛杉矶分校的神经外科医生兼神经科学家Itzhak Fried说。

面孔游行

在主要实验前的准备阶段，研究人员向每位参与者展示了各种面孔图像。对于每位参与者，科学家们确定了六张面孔，这些面孔能够强烈激活参与者大脑中一个单独的神经元。例如，一位参与者可能有一个“戴太阳镜的男人”神经元，以及一个“戴帽子的女人”神经元和其他四个各自偏好特定面孔的神经元。

团队将每位参与者的六张图像排列成一个三角形，每个角放置一张图像，每边各放一张。每张图像通过三角形侧面和内部的线条与其最近的邻居相连。

在一个实验试验中，参与者观看了一系列面孔图像。一个简单的规则规定了图像的顺序：每张面孔后面都跟着与之在三角形上相连的面孔（见“模式识别”）。例如，如果第一张面孔是三角形左下角的那一张，第二张面孔将是它的两个直接邻居之一：三角形基底中间的面孔或三角形左侧中间的面孔。实验者没有向参与者透露这一规则。更重要的是，他们在每次试验期间通过询问参与者有关图像内容的问题来分散他们的注意力。

来源：参考文献1

在实验过程中，每位参与者的海马体和内嗅皮层中的神经元逐渐开始不仅对呈现的面孔作出反应，也对三角形上直接相连的面孔作出反应。当被问及是否注意到图像顺序中的任何模式时，参与者表示他们没有注意到。但他们的大脑细胞仍然学会了这个模式，显示出大脑可以在没有意识到的情况下识别模式。在试验间隙，参与者的“面孔”神经元复现了它们所学到的内容，自行循环播放模式，而无需受到刺激。

Fried说：“这是不显而易见的，它是隐含的。而且大脑基本上很快就能掌握它，我们可以在单个细胞中看到那些变化。”

面向未来的神经元

作者发现，神经元还能够预测接下来会出现哪些图像，这表明大脑可以基于学到的模式学会预测未来事件。

“没有任何外部动机就能发生这一点真的很有趣，”英国布里斯托尔大学的神经科学家Matt Jones说。“许多发现与啮齿动物研究的预测非常一致，突显出海马体回路是如何进化以构建我们的认知地图的，”他补充道。

了解大脑如何组织关于事件序列的信息可能会有重要的临床应用。例如，增强记忆疗法可能会专注于增强代表重要记忆的特定神经模式，Fried说。“最终这是一个将事物在时间上组合在一起的问题。这确实是记忆的核心。”

Tacikowski, P., Kalender, G., Ciliberti, D. & Fried, I. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-07973-1 (2024).