一项对因医疗原因在大脑组织中植入电极的人的神经元活动研究发现，人类大脑不断地在日常经验中捕捉模式——并且可以在没有意识思考的情况下做到这一点。
该研究表明，关键大脑区域的神经元结合了关于发生什么以及何时发生的信息，使大脑能够挑选出事件随时间展开的模式。作者说，这有助于大脑预测即将发生的事件。这项工作今天发表在《自然》杂志上。
“大脑做了很多我们没有意识到的事情，”挪威科技大学（位于特隆赫姆）的神经科学家爱德华·莫泽说。“这也不例外。”
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数据洪流
为了理解我们周围的世界，大脑必须处理大量关于发生什么、在哪里发生以及何时发生的信息。该研究的作者想探索大脑如何随时间组织这些信息——这是学习和记忆中的关键一步。
该团队研究了 17 位患有癫痫症并在大脑中植入电极以准备手术治疗的人。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。
这些区域包括海马体和内嗅皮层，它们参与记忆和导航。这些区域包含时间和地点细胞，它们充当身体的内部时钟和 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该系统过滤，”该研究的共同作者、加州大学洛杉矶分校的神经外科医生和神经科学家伊扎克·弗里德说。
面孔游行
在为主要实验做准备时，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，科学家们识别出六张面孔，这些面孔促使参与者大脑中的单个神经元强烈放电。例如，一位参与者可能有一个“戴墨镜的男人”神经元，以及一个“戴帽子的女人”神经元，以及另外四个分别偏爱特定面孔的神经元。
研究小组将每位参与者的六张图像排列成一个三角形，每个角上有一张图像，每条边上也有一张图像。每张图像通过沿着三角形的边和穿过其内部的线连接到其最近的邻居。
在实验试验中，参与者观看了一系列面孔图像。一个简单的规则决定了图像的顺序：每张面孔之后都跟着一张在三角形上与其相连的面孔。例如，如果第一张面孔是三角形左下角的那张面孔，那么第二张面孔将是它的两个直接邻居之一：三角形底边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个规则。更重要的是，他们通过在每次试验中询问参与者关于图像内容的问题来分散他们的注意力。
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做出反应，而且对三角形上直接与其相连的面孔也做出反应。当被问及是否注意到图像顺序有任何模式时，参与者表示他们没有。但他们的大脑仍然学会了这种模式，表明大脑可以在没有意识意识的情况下识别模式。在试验之间的休息期间，参与者的“面孔”神经元重放了他们所学到的东西，自行循环遍历模式，而无需受到刺激来这样做。
“这是非显性的，它是内隐的。而大脑基本上很快就明白了，我们可以看到单个细胞中的这些变化，”弗里德说。
面向未来的神经元
作者发现神经元还可以预测接下来会出现哪些图像，这表明大脑可以学会根据学到的模式来预测未来事件。
英国布里斯托大学的神经科学家马特·琼斯说：“在没有任何外部激励因素的情况下发生这种情况真的很有趣。” “许多发现与啮齿动物研究的预测非常一致，突出了海马回路是如何进化来构建我们的认知地图的，”他补充道。
了解大脑如何组织有关事件序列的信息可能具有重要的临床应用。例如，记忆增强疗法可能侧重于增强代表重要记忆的特定神经元模式，弗里德说。“最终这是一个将事物按时间顺序组合在一起的问题。这才是记忆的关键所在。”
本文经许可转载，并于 2024 年 9 月 25 日首次发表。