从前，一位名叫阿卡基·阿卡基耶维奇的杰出俄罗斯神经外科医生，有一位病人想要忘记他专横跋扈、难以相处的母亲。
为了满足病人的愿望，阿卡基耶维奇打开了病人的大脑，并一个接一个地消融了数千个神经元，每个神经元都与他母亲的概念有关。当病人从麻醉中醒来时，他已经完全失去了关于他母亲的概念。所有关于她的记忆，无论是好是坏，都消失了。阿卡基耶维奇对自己的成功感到欣喜若狂，转而关注下一个目标——寻找与“祖母”记忆相关的细胞。
当然，这个故事是虚构的。已故神经科学家杰里·莱特文（与阿卡基耶维奇不同，他是真实存在的）在1969年在麻省理工学院向一群学生讲述了这个故事，以说明一个具有煽动性的观点，即仅约18,000个神经元就可以构成任何特定的意识体验、思想或对亲戚或我们可能遇到的任何其他人或物体的记忆的基础。莱特文从未证明或反驳他大胆的假设，40多年来，科学家们一直在辩论（大多是开玩笑）“祖母细胞”的想法。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
神经元以如此高度特异性的方式存储记忆的想法可以追溯到威廉·詹姆斯，他在19世纪后期构想了“桥粒细胞”，我们的意识与之相连。然而，这些细胞的存在与主流观点相悖，主流观点认为，对任何特定个体或物体的感知是通过数百万甚至数十亿神经细胞的集体活动来完成的，诺贝尔奖获得者查尔斯·谢林顿在1940年称之为“百万倍的民主”。在这种情况下，任何一个神经细胞的活动都是毫无意义的。只有庞大的神经元群体的协作才能创造意义。
神经科学家们继续争论，是相对较少的神经元——大约数千个或更少——充当特定概念的存储库，还是需要数亿个神经元广泛分布在整个大脑中。解决这场争端的尝试正在帮助我们对记忆和意识思维的工作原理产生新的理解——并且得到好莱坞的一些帮助。
詹妮弗·安妮斯顿神经元
几年前——与现在哈佛医学院的教员加布里埃尔·克雷曼和现在图卢兹大脑与认知研究中心的蕾拉·雷迪一起——我们进行了一些实验，这些实验导致在一个病人的海马体中发现了一个神经元。海马体是一个已知参与记忆过程的大脑区域，该神经元对女演员詹妮弗·安妮斯顿的不同照片反应非常强烈，但对其他数十位演员、名人、地点和动物没有反应。在另一位病人中，海马体中的一个神经元在看到女演员哈莉·贝瑞的照片，甚至是在电脑屏幕上写下她的名字时会亮起，但对其他任何东西都没有反应。另一个神经元有选择性地对奥普拉·温弗瑞的照片以及电脑合成声音写在屏幕上和说出的名字做出反应。还有一个神经元对卢克·天行者的照片以及他书写和口述的名字做出反应，依此类推。
这种观察是通过直接记录单个神经元的活动来实现的。其他更常见的技术，如功能性脑成像，可以精确定位志愿者执行给定任务时整个大脑的活动。然而，尽管功能性成像可以追踪通常数百万个细胞的总体功耗，但它无法识别小神经元群，更不用说单个细胞了。为了记录单个神经元发出的电脉冲，需要将比人类头发还细的微电极植入大脑。这种技术不如功能性成像常用，只有特殊的医疗情况才需要将这些电极植入人体。
癫痫病患者的治疗就是这些罕见情况之一。当癫痫发作无法通过药物控制时，这些患者可能是补救手术的候选人。医疗团队检查临床证据，这些证据可以精确定位癫痫发作开始的区域，即癫痫灶，该区域有可能通过手术切除来治愈患者。最初，评估包括非侵入性程序，如脑成像、临床证据的考虑以及病理性电活动的研究——大量同步发生的癫痫放电——以及从患者头皮上进行的脑电图记录。但是，当无法通过这些方法准确确定癫痫灶的位置时，神经外科医生可能会将电极深入颅骨内部，以连续监测住院期间数天的大脑活动，然后分析观察到的癫痫发作。
科学家有时会要求患者在监测期间自愿参加研究，在这些研究中，当记录大脑活动时，会执行各种认知任务。在加州大学洛杉矶分校，我们采用了一种独特的技术，使用带有微小微丝的柔性电极在颅骨内进行记录；这项技术是由我们中的一位（弗里德）开发的，他负责加州大学洛杉矶分校的癫痫外科项目，并与来自世界各地的其他科学家合作，包括加州理工学院科赫的研究小组和英国莱斯特大学奎安·奎罗加的实验室。这项技术提供了一个非凡的机会，可以直接从清醒患者的单个神经元中记录数天，并提供研究神经元在各种任务期间放电的能力——监测患者在笔记本电脑上观看图像、回忆记忆或执行其他任务时发生的持续喋喋不休。这就是我们发现詹妮弗·安妮斯顿神经元并无意中重燃了莱特文寓言引发的辩论的方式。
祖母细胞再探
像詹妮弗·安妮斯顿神经元这样的神经细胞是长期争论的祖母细胞吗？要回答这个问题，我们必须更精确地说明我们所说的祖母细胞是什么意思。关于祖母细胞假说的一种极端思考方式是，只有一个神经元对一个概念做出反应。但是，如果我们能找到一个对詹妮弗·安妮斯顿做出反应的单个神经元，这强烈表明肯定有更多——在数十亿个神经元中找到唯一一个神经元的几率微乎其微。此外，如果只有一个神经元负责一个人对詹妮弗·安妮斯顿的整个概念，并且它因疾病或事故而受损或被破坏，那么关于詹妮弗·安妮斯顿的所有痕迹都会从记忆中消失，这是一个极不可能发生的前景。
祖母细胞的一个不太极端的定义是，不止一个孤立的神经元对任何一个概念做出反应。这个假设是合理的，但即使不是不可能，也很难证明。我们无法尝试每个可能的概念来证明神经元仅对詹妮弗·安妮斯顿放电。事实上，情况往往相反：我们经常发现神经元对不止一个概念做出反应。因此，如果神经元在实验期间仅对一个人放电，我们不能排除它也可能对我们碰巧没有展示的某些其他刺激放电。
例如，在发现詹妮弗·安妮斯顿神经元的第二天，我们重复了实验，现在使用了更多与她相关的照片，并发现该神经元也对丽莎·库卓放电，丽莎·库卓是电视剧《老友记》中的联合主演，这部剧将她们都捧红了。对卢克·天行者做出反应的神经元也对尤达放电，尤达是《星球大战》中的另一位绝地武士；另一个神经元对两位篮球运动员放电；另一个神经元对本文的作者之一（奎安·奎罗加）以及其他在加州大学洛杉矶分校与患者互动的同事放电，等等。即便如此，仍然可以认为这些神经元是祖母细胞，它们正在对更广泛的概念做出反应，即《老友记》中的两位金发女郎、《星球大战》中的绝地武士、篮球运动员或与患者一起进行实验的科学家。这种扩展的定义将关于这些神经元是否应被视为祖母细胞的讨论变成了一个语义问题。
让我们暂时抛开语义，转而关注这些所谓的詹妮弗·安妮斯顿神经元的一些关键方面。首先，我们发现每个细胞的反应都非常具有选择性——每个细胞都对呈现给患者的名人、政治家、亲戚、地标等的照片中的一小部分放电。其次，每个细胞对特定个体或地点的多种表征做出反应，而与所用照片的具体视觉特征无关。事实上，细胞对同一人的不同照片，甚至对其书写或口述的名字，都会以类似的方式放电。就好像神经元在其放电模式中告诉我们：“我知道她是詹妮弗·安妮斯顿，无论你以何种方式向我展示她，无论是穿着红色连衣裙、侧面轮廓、书写的名字，甚至是当你大声喊出她的名字时，都无关紧要。” 那么，神经元似乎是对概念——对事物本身的任何表征——做出反应。因此，这些神经元可能更恰当地被称为概念细胞，而不是祖母细胞。概念细胞有时可能对不止一个概念放电，但如果它们这样做，这些概念往往是密切相关的。
概念代码
为了理解少量细胞如何与詹妮弗·安妮斯顿这样的特定概念联系起来，了解大脑捕获和存储我们周围世界中遇到的无数物体和人物图像的复杂过程是有帮助的。眼睛接收的信息首先通过离开眼球的视神经到达头部后部的初级视觉皮层。那里的神经元对构成图像的微小细节的一部分做出反应，就好像每个神经元都像数字图像中的像素一样亮起，或者像乔治·修拉的点彩画中的彩色点一样。
一个神经元不足以判断细节是脸部、茶杯还是埃菲尔铁塔的一部分。每个细胞都构成一个集合的一部分，一个产生复合图像的组合，例如《大碗岛的星期日下午》。如果图片略有变化，一些细节也会发生变化，相应神经元集合的放电也会随之改变。
大脑需要处理感觉信息，以便它捕获的不仅仅是一张照片——它必须识别物体并将其与已知的事物整合起来。从初级视觉皮层开始，由图像触发的神经元激活通过一系列皮层区域向更靠前方的区域移动。这些更高级视觉区域中的单个神经元对整个面部或整个物体做出反应，而不是对局部细节做出反应。这些高级神经元中的一个就可以告诉我们图像是面部而不是埃菲尔铁塔。如果我们稍微改变图片，移动它或改变照射它的光线，它会改变一些特征，但这些神经元不太关心细节上的细微差异，它们的放电将或多或少保持不变——这种特性被称为视觉不变性。
高级视觉区域的神经元将其信息发送到内侧颞叶——海马体和周围皮层——它参与记忆功能，也是我们发现詹妮弗·安妮斯顿神经元的地方。海马体中神经元的反应比高级视觉皮层中的神经元更具体。这些神经元中的每一个都对特定的人，或者更准确地说，是对那个人的概念做出反应：不仅是对面孔和其他外貌特征，而且还对密切相关的属性，如人的名字。
在我们的研究中，我们试图探索有多少个单个神经元放电来代表给定的概念。我们不得不问，是只有一个、几十个、几千个还是几百万个。换句话说，概念的表示有多“稀疏”？显然，我们无法直接测量这个数字，因为我们无法记录给定区域中所有神经元的活动。当时在加州理工学院与我们中的一位（科赫）一起攻读博士学位的斯蒂芬·韦多使用统计方法估计，一个特定的概念触发的放电神经元不超过一百万左右，在内侧颞叶的约十亿个神经元中。但是，由于我们使用患者研究中非常熟悉的事物的图片——这些图片往往会触发更多反应——因此这个数字应严格视为上限；代表一个概念的细胞数量可能是其十分之一或百分之一，可能接近莱特文猜测的每个概念18,000个神经元。
与这种论点相反，认为大脑并非稀疏地编码概念，而是将概念分布在非常庞大的神经元群体中的一个原因是，我们可能没有足够的神经元来代表所有可能的概念及其变体。例如，我们是否有足够的大脑细胞来描绘奶奶微笑、编织、喝茶或在公共汽车站等候，以及英国女王向人群致意，儿童时期的卢克·天行者在塔图因星或与达斯·维达战斗，等等？
要回答这个问题，我们首先应该考虑到，事实上，一个典型的人记住的概念不超过10,000个。与构成内侧颞叶的十亿个神经细胞相比，这并不算多。此外，我们有充分的理由认为概念可以以稀疏的方式非常有效地编码和存储。内侧颞叶中的神经元根本不在乎同一概念的不同实例——它们不在乎卢克是坐着还是站着；它们只在乎刺激是否与卢克有关。无论概念如何呈现，它们都会对概念本身放电。使概念更抽象——对卢克的所有实例放电——减少了神经元需要编码的信息，并使其能够高度选择性，对卢克放电，但不针对詹妮弗。
韦多的模拟研究进一步强调了这一观点。韦多借鉴了一个详细的视觉处理模型，构建了一个基于软件的神经网络，该网络学会了识别许多未标记的飞机、汽车、摩托车和人脸图片。该软件在没有教师监督的情况下做到了这一点。它没有被告知“这是一架飞机，那是一辆汽车”。它必须自己弄清楚这一点，它基于以下假设：大量可能的图像实际上基于少量的人或物，并且每个概念都由一小部分神经元表示，正如我们在内侧颞叶中发现的那样。通过将这种稀疏表示纳入软件模拟中，该网络学会了区分同一个人或物体，即使以无数种不同的方式显示，这一发现与我们从人类大脑记录中观察到的结果相似。
为什么需要概念细胞？
我们的研究与大脑如何解读外部世界并将感知转化为记忆的问题密切相关。考虑一下著名的1953年H.M.患者的案例，他患有顽固性癫痫。作为阻止癫痫发作的绝望方法，一位神经外科医生切除了他大脑两侧的海马体和邻近区域。手术后，H.M.仍然可以认出人和物体，并记住他在手术前知道的事件，但出乎意料的结果是，他再也无法产生新的持久记忆。没有海马体，发生在他身上的一切都很快被遗忘。《记忆碎片》这部2000年的电影围绕着一个患有类似神经系统疾病的角色展开。
H.M.的案例表明，海马体以及一般的内侧颞叶对于感知来说不是必需的，但对于将短期记忆（我们暂时记住的事情）转化为长期记忆（记住几个小时、几天或几年的事情）至关重要。根据这一证据，我们认为概念细胞（位于这些区域）对于将我们的意识中的内容——无论是由感觉输入还是内部回忆触发的——转化为长期记忆至关重要，长期记忆稍后将存储在大脑皮层的其他区域。我们认为，我们发现的詹妮弗·安妮斯顿神经元对于患者识别这位女演员或记住她是谁不是必需的，但它对于将安妮斯顿带入意识以建立与她相关的新联系和记忆至关重要，例如以后记住看到她的照片。
我们的大脑可能使用少量概念细胞将同一事物的许多实例表示为一个独特的概念——一种稀疏且不变的表示。概念细胞的工作方式在很大程度上解释了我们记忆的方式：我们回忆起各种伪装的詹妮弗和卢克，而不是记住他们脸上的每一个毛孔。我们既不需要（也不想）记住发生在我们身上的任何事情的每一个细节。
重要的是抓住涉及与我们相关的个人和概念的特定情况的要点，而不是记住无数毫无意义的细节。如果我们在咖啡馆遇到一个我们认识的人，记住这次会面中的一些显著事件比记住这个人确切的穿着、他使用的每一个词或咖啡馆里其他放松的陌生人的样子更重要。概念细胞倾向于对个人相关的事物放电，因为我们通常会记住涉及我们熟悉的人和事物的事件，而我们不会投入精力来记忆没有特殊关联的事物。
记忆不仅仅是单个孤立的概念。关于詹妮弗·安妮斯顿的记忆涉及她——或者她在《老友记》中的角色——参与的一系列事件。对单个记忆片段的完整回忆需要不同但相关的概念之间的联系：詹妮弗·安妮斯顿与你坐在沙发上，一边用勺子舀冰淇淋一边看《老友记》的概念联系起来。
如果两个概念相关，则编码一个概念的某些神经元也可能对另一个概念放电。这个假设为大脑中神经元如何编码关联提供了生理学解释。细胞倾向于对相关概念放电可能确实是情景记忆（例如咖啡馆会面期间的特定事件序列）或意识流的基础，意识流会自发地从一个概念转移到另一个概念。我们看到詹妮弗·安妮斯顿，这种感知会唤起对电视、沙发和冰淇淋的记忆——这些相关概念是观看《老友记》一集的记忆的基础。类似的过程也可能在存储在不同皮层区域的同一概念的各个方面之间建立联系，将玫瑰的气味、形状、颜色和纹理——或詹妮弗的外貌和声音——结合在一起。
鉴于以抽象概念存储高级记忆的明显优势，我们还可以问，为什么这些概念的表示必须稀疏地分布在内侧颞叶中。建模研究提供了一个答案，这些研究一直表明稀疏表示对于创建快速关联是必要的。
技术细节很复杂，但总体思路很简单。想象一下，对于我们在咖啡馆遇到的人，使用分布式（与稀疏相反）表示，神经元编码该人的每个微小特征。想象一下咖啡馆本身的另一个分布式表示。在人与咖啡馆之间建立联系将需要在代表每个概念的不同细节之间建立联系，但又不会将它们与其他人混淆，因为咖啡馆看起来像一家舒适的书店，而我们的朋友看起来像我们认识的其他人。
使用分布式网络创建此类链接非常缓慢，并会导致记忆混淆。相比之下，使用稀疏网络建立此类连接既快速又容易。它只需要在代表每个概念的细胞群之间创建一些链接，让一些神经元开始对这两个概念都放电。稀疏表示的另一个优点是可以添加新事物，而不会深刻影响网络中的其他一切。这种分离对于分布式网络来说更难实现，在分布式网络中，添加新概念会改变整个网络的边界。
概念细胞将感知与记忆联系起来；它们给出了语义知识的抽象和稀疏表示——人、地点、物体，构成我们个人世界的所有有意义的概念。它们构成了我们生活的事实和事件记忆的基石。它们优雅的编码方案使我们的大脑能够抛开无数不重要的细节，并提取可用于建立新关联和记忆的意义。它们编码了从我们的经验中保留下来的关键信息。
概念细胞不太像莱特文设想的祖母细胞，但它们可能是人类认知能力的重要物理基础，是思想和记忆的硬件组成部分。