大脑如何区分记忆和感知

记忆和感知似乎是完全不同的体验，神经科学家过去认为大脑产生它们的方式也不同。但在20世纪90年代，神经成像研究显示，大脑中被认为只在感官知觉时活跃的部分在唤起记忆时也很活跃。

波士顿大学视觉神经科学实验室主任、神经科学副教授Sam Ling说：“这就提出一个问题，即记忆表征是否真的与感知表征有所不同。”

例如，我们对美丽林间空地的记忆，是否只是先前使我们能够看到它的神经活动的再创造？

“争论已经从是否有任何感觉皮层参与转变为‘哦，等一下，有什么区别吗？’”美国国家心理健康研究所负责学习和可塑性部门的研究人员克里斯托弗·贝克(Christopher Baker)说，“钟摆已经从一边摆到了另一边，但它摆得太远了。”

即使记忆和经历之间有很强的神经相似性，我们也知道它们不可能完全相同。近期，哥伦比亚大学博士后科学家塞拉·法维拉(Serra Favila)作为主要作者在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了题为“Perception and memory have distinct spatial tuning properties in human visual cortex”的一项研究。她的团队已经确定了至少一种记忆和图像感知在神经层面上的不同组合方式。她表示：“人们不会混淆它们。”

模糊点

当我们观察世界时，关于世界的视觉信息通过视网膜的光感受器流入视觉皮层，在那里，这些信息在不同的神经元组中被依次处理。每个组都为图像增加了新的复杂程度：简单的光点变成了线条和边缘，然后是轮廓，然后是形状，然后体现出我们所能看见的完整的场景。

“这就提出了一个问题：即记忆表征是否与感知表征完全不同。”

Sam Ling，波士顿大学

在这项新研究中，研究人员重点关注了视觉处理的一个特征，这个特征在早期神经元群中非常重要：即物体在空间中的位置。构成图像的像素和轮廓需要位于正确的位置，否则大脑会对我们所看到的东西产生混乱的、无法辨认的失真图像。

研究人员训练参与者在一个类似飞镖的背景上标注四种不同图案的位置。每个图案都被放置在背景上一个非常特定的位置，并与背景板中心的颜色相关联。每个参与者都接受了测试，以确保他们准确地记住了这些信息——例如，如果他们看到一个绿点，他们就知道星形在最左边的位置。然后，当参与者感知并记住图案的位置时，研究人员记录下他们的大脑活动。

通过脑部扫描，研究人员能够绘制出神经元是如何记录事物的位置，以及它们后来是如何记住它的方式。每个神经元都关注视野中的一个区域，即“感受野”，比如左下角。Favila说，“只有当你把东西放在那个小点上时，神经元才会被激活。”调整到空间中某个特定位置的神经元倾向于聚集在一起，这使得它们的活动在脑部扫描中很容易被检测到。

先前对视觉感知的研究表明，在早期较低水平的处理过程中，神经元的感受野较小，而在后期较高水平的处理过程中，神经元则有较大的感受野。这是因为高级神经元正在编译来自许多低级神经元的信号，在更广泛的视野中获取信息。但更大的感受野也意味着较低的空间精度，产生的效果就像在地图上用一大块墨水涂在北美区域来指示新泽西州一样。实际上，在感知过程中，视觉处理是一个小的清晰点演变成更大、更模糊但更有意义的斑点的过程。

哥伦比亚大学的研究人员Serra Favila和她的同事研究了图像感知和记忆的神经表征的差异。视觉皮层神经元的“感受野”的不断扩大似乎是关键所在。

但是，当Favila和她的同事们研究感知和记忆在视觉皮层的各个区域中的表现方式时，他们发现了重大差异。

当参与者回忆起这些图象时，最高视觉处理水平的感受野与感知时的大小相同，但在绘制心理图像时的所有其他水平上，感受野都保持着该大小。记忆中的图像在每个阶段，都是一个大而模糊的斑点。

这表明，当存储图像记忆时，只保留了图像的最高级别表现形式。当记忆被再次体验时，视觉皮层的所有区域都被激活了——但它们的活动是基于不太精确的输入版本。

因此，根据信息是来自视网膜还是来自存储记忆的任何地方，大脑处理它的方式有很大不同。最初感知的一些精度在进入记忆的过程中丢失了，“你不能魔法般地把它找回来。”Favila说。

这项研究的一个“非常美妙”的方面是，研究人员可以直接从大脑中读出有关记忆的信息，而不是依靠人类受试者来报告他们所看到的内容。达特茅斯学院的博士后研究员亚当·斯蒂尔(Adam Steel)说，“我认为，他们所做的实证研究非常出色。”

一个功能还是一个bug?

但为什么记忆会以这种“模糊”的方式被回忆起来呢？为了找到答案，研究人员创建了一个视觉皮层的模型，该模型具有不同层级的神经元，感受野的大小不断增加。然后，他们以相反的顺序在各层神经元之间发送信号，模拟诱发记忆。与脑部扫描一样，在具有最大感受野的水平上看到的空间模糊在其他水平上持续存在。Favila说，这表明记忆中的图像以这种方式形成是由于视觉系统的层次性。

关于视觉系统为什么有层次结构的一个理论是：这有助于物体识别。如果感受野很小，大脑就需要整合更多信息来理解眼前的内容；Favila说，这可能使人们很难识别像埃菲尔铁塔这样的庞然大物。“更模糊”的记忆图像可能是“拥有一个针对物体识别等事物进行优化的系统的结果”。

但明尼苏达大学副教授托马斯·纳塞拉里斯(Thomas Naselaris)说，目前还不清楚“这是一个功能还是一个bug”。他没有参与这项新研究，但他在2020年的一项研究中得出了类似的结论，即大脑中的感知和记忆看起来非常不同。他赞成这种差异是有利的，也许有助于区分感知和记忆。他说:“如果一个人的心理意象中有场景意象的所有细节和精度，他就很容易感到混乱。”

模糊性还有助于防止存储不必要的信息。Favila说，也许重要的不是记住每个像素在视野中的位置，而是记住这些像素关联于某个家庭成员或朋友。

Naselaris表示：“这并不是说视觉系统无法生成高度详细、生动和精确的图像。”例如，当人们处于睡眠和清醒之间的“催眠”状态时，他们会报告非常生动的视觉图像。大脑“只是倾向于在醒着的时候不这么做。”

Favila和她的团队希望探索类似的处理是否发生在视觉记忆的其他方面，如形状或颜色。他们特别渴望研究这些感知和记忆的差异是如何引导行为的。

“感知和记忆是不同的；我们对它们的体验是不同的，明确其不同的呈现方式对理解记忆是如何表达的至关重要，”Favila说，这些差异“一直潜藏在数据中”。

来源：

https://www.quantamagazine.org/how-the-brain-distinguishes-memories-from-perceptions-20221214/#

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