當(dāng)我們懷念相遇時(shí)，專(zhuān)屬于彼此的神經(jīng)元正在激活

想象一下，你正在第一次約會(huì)中，坐在酒吧里喝著馬提尼酒。你嚼下一顆橄欖，耐心地聽(tīng)著對(duì)方講述他在銀行工作的事情。你的大腦正在處理這個(gè)場(chǎng)景，部分方式是通過(guò)將它分解為各種概念：酒吧、約會(huì)、馬提尼、橄欖、銀行。在你大腦深處，稱(chēng)為概念細(xì)胞的神經(jīng)元正被激活。

你可能有概念細(xì)胞專(zhuān)門(mén)對(duì)“馬提尼”激活，但不會(huì)對(duì)“橄欖”激活。或者有的細(xì)胞對(duì)“酒吧”激活——如果你之前去過(guò)那個(gè)酒吧，也許甚至對(duì)那個(gè)特定的酒吧激活。“銀行”這個(gè)概念同樣有自己的概念細(xì)胞，可能有成百萬(wàn)個(gè)。在那個(gè)昏暗的酒吧里，你正在對(duì)你的約會(huì)對(duì)象形成概念細(xì)胞，不論你是否喜歡他。這些細(xì)胞會(huì)在某些讓你想起他的時(shí)候被激活。

不論概念以何種形式呈現(xiàn)——在現(xiàn)實(shí)、照片、文字、語(yǔ)言甚至電視節(jié)目或播客中，概念神經(jīng)元都會(huì)對(duì)其激活。“這是一種更抽象的形式，和你實(shí)際看到的東西截然不同。”華盛頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家伊麗莎白·布法羅（Elizabeth Buffalo）說(shuō)道。

幾十年來(lái)，對(duì)于大腦能夠達(dá)到這種單個(gè)神經(jīng)元級(jí)別的高度選擇性，神經(jīng)科學(xué)家持嘲笑態(tài)度。他們質(zhì)疑：在一生中接觸的無(wú)數(shù)概念中，每一個(gè)概念都對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)神經(jīng)元，這怎么可能？波恩大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家弗洛里安·莫爾曼（Florian Mormann）指出，人們普遍認(rèn)為這種想法“效率低下，毫無(wú)經(jīng)濟(jì)性可言”。

然而，當(dāng)研究人員在21世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)了概念細(xì)胞時(shí)，這種嘲笑逐漸平息。在過(guò)去20年里，研究者們確認(rèn)概念細(xì)胞不僅確實(shí)存在，而且它們對(duì)大腦如何抽象和存儲(chǔ)信息至關(guān)重要。最近的一些研究，包括一篇發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）的論文，表明這些細(xì)胞可能是我們形成和提取記憶的核心。

馬德里康普頓斯大學(xué)的數(shù)學(xué)家瓦萊里·馬卡羅夫（Valeriy Makarov）指出，大腦通過(guò)復(fù)雜的神經(jīng)回路動(dòng)態(tài)處理外界信息。然而，也有可能單個(gè)神經(jīng)元在大腦重構(gòu)現(xiàn)實(shí)中扮演著關(guān)鍵角色。

“自然界在漫長(zhǎng)的時(shí)間里，選擇了簡(jiǎn)單但高效的方法，而不是依賴復(fù)雜的分布式計(jì)算。”他說(shuō)道，“我們比自己想象的更簡(jiǎn)單。”

諷刺成真：概念細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)

“概念細(xì)胞”這一概念曾被神經(jīng)科學(xué)家視為笑話——直到它被驗(yàn)證。

1969年，神經(jīng)科學(xué)家杰羅姆·勒特文（Jerome Lettvin）在麻省理工學(xué)院發(fā)表了一場(chǎng)著名的講座。他以戲謔的語(yǔ)氣，講述了一個(gè)虛構(gòu)的神經(jīng)外科醫(yī)生和其患者的故事。這個(gè)患者和母親的關(guān)系緊張，神經(jīng)外科醫(yī)生為了幫助他，刪除了患者大腦中負(fù)責(zé)“母親”記憶的細(xì)胞，從而抹去了所有關(guān)于母親的記憶。對(duì)此感到滿意后，這位醫(yī)生繼續(xù)研究所謂的“祖母細(xì)胞”（grandmother cells）。

“自那以后，人們一直在討論‘祖母細(xì)胞’。”巴塞羅那海洋醫(yī)院研究所的神經(jīng)科學(xué)家羅德里戈·奎安·奎羅加（Rodrigo Quian Quiroga）說(shuō)道。理論上，祖母細(xì)胞指的是隱藏在大腦860億神經(jīng)元中的某個(gè)單個(gè)神經(jīng)元，它專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)編碼你某位祖母的所有信息。如果刪除它，關(guān)于這個(gè)人的記憶就會(huì)從你的大腦中消失。

Rodrigo Quian Quiroga

來(lái)源：Rodrigo Quian Quiroga

沒(méi)有人真正嚴(yán)肅看待這一理論。每個(gè)人、每個(gè)物體都對(duì)應(yīng)一個(gè)神經(jīng)元？這不是很荒謬嗎？艾倫腦科學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）說(shuō)道，“這個(gè)想法完全被嗤之以鼻。”

然而，并不是所有人都抱有這種懷疑態(tài)度。20世紀(jì)90年代，加州大學(xué)洛杉磯分校的神經(jīng)外科醫(yī)生伊扎克·弗里德（Itzhak Fried）和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型電極，能夠前所未有地觀察單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。作為科學(xué)家兼外科醫(yī)生，弗里德一直對(duì)記憶和人類(lèi)精神活動(dòng)充滿好奇。“大腦將外部世界轉(zhuǎn)化為某種內(nèi)部表征，但這是一種模糊的、抽象的形式，缺乏現(xiàn)實(shí)世界的細(xì)節(jié)。”他說(shuō)道。但這種表征到底是什么樣的呢？

弗里德和奎羅加與科赫合作研究。獲得癲癇患者的知情同意后，他們使用患者在醫(yī)療治療中植入的大腦電極，記錄并分析了中顳葉的神經(jīng)活動(dòng)。這一區(qū)域包括杏仁核內(nèi)嗅皮層和海馬體，是情感和記憶的核心。

海馬體（hippocampus）、杏仁核（amygdala）和內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）

Mark Belan/Quanta Magazine

接著，研究人員在實(shí)驗(yàn)中給患者展示物體圖片。他們發(fā)現(xiàn)，單個(gè)神經(jīng)元似乎對(duì)某些廣義類(lèi)別（如面孔、場(chǎng)景、房屋或動(dòng)物）中的多幅圖片產(chǎn)生反應(yīng)。這一結(jié)果表明，類(lèi)似“祖母細(xì)胞”的神經(jīng)元可能存在，但這些細(xì)胞的反應(yīng)并不僅限于圖像本身。

細(xì)胞級(jí)概念

在2000年代初，奎羅加專(zhuān)注于優(yōu)化他自己創(chuàng)建的算法，用于分析電極記錄的數(shù)據(jù)。這種算法讓他能夠識(shí)別比以往更多的神經(jīng)元——甚至是那些很少被激活、因此難以檢測(cè)的神經(jīng)元。

“我能看到其他人之前看不到的神經(jīng)元……因?yàn)槲矣昧藦奈锢韺W(xué)和數(shù)學(xué)中學(xué)到的一些技巧。”他解釋道，“然后我就想：‘好吧，我想看看這些神經(jīng)元究竟在做什么。’”

起初，他向癲癇患者展示了一些科學(xué)家的照片，例如理查德·費(fèi)曼和阿爾伯特·愛(ài)因斯坦，試圖觀察神經(jīng)元是否會(huì)對(duì)某些具體人物產(chǎn)生反應(yīng)。然而，當(dāng)患者無(wú)法辨認(rèn)這些科學(xué)家時(shí)，他轉(zhuǎn)而展示更容易識(shí)別的地方和人物的照片，其中包括熱門(mén)情景喜劇《老友記》的明星詹妮弗·安妮斯頓。

詹妮弗·安妮斯頓

令奎羅加欣喜的是，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神經(jīng)元會(huì)對(duì)詹妮弗·安妮斯頓的照片作出反應(yīng)。這引發(fā)了一個(gè)新的問(wèn)題：“這個(gè)神經(jīng)元是對(duì)詹妮弗·安妮斯頓這張具體的照片作出反應(yīng)，還是對(duì)‘詹妮弗·安妮斯頓’這個(gè)概念作出反應(yīng)？”他回憶道。

在隨后的實(shí)驗(yàn)中，他向患者展示了安妮斯頓的七張不同照片，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)神經(jīng)元對(duì)所有照片都被激活，但對(duì)其他演員或物體的圖像卻沒(méi)有反應(yīng)。接著，他開(kāi)始識(shí)別其他知名人物或地點(diǎn)的相關(guān)神經(jīng)元。他發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)神經(jīng)元只對(duì)哈莉·貝瑞（Halle Berry）作出反應(yīng)，另一個(gè)只對(duì)比薩斜塔激活。

奎羅加還將“奧普拉·溫弗瑞”（Oprah Winfrey）的名字寫(xiě)在紙上。他觀察到，當(dāng)展示奧普拉的名字時(shí)，同樣的神經(jīng)元也被激活，這些神經(jīng)元之前對(duì)她的照片同樣有反應(yīng)。這表明這些神經(jīng)元并不是對(duì)照片的具體特征（如亮度或顏色）作出反應(yīng)——它們是與上下文無(wú)關(guān)的，這些神經(jīng)元實(shí)際上是對(duì)“奧普拉”這個(gè)概念作出反應(yīng)。

奎羅加很清楚，他觀察到某個(gè)神經(jīng)元被激活并不意味著每個(gè)概念僅由一個(gè)神經(jīng)元負(fù)責(zé)。如果真是那樣，“找到這些神經(jīng)元的概率幾乎為零，”他說(shuō)道，“我曾開(kāi)玩笑說(shuō)，如果真是這樣，我應(yīng)該放棄科學(xué)研究去買(mǎi)彩票，因?yàn)槲液?jiǎn)直是世界上最幸運(yùn)的人。”他相信，大腦中一定有許多神經(jīng)元共同參與每個(gè)概念的編碼，但具體有多少神經(jīng)元負(fù)責(zé)一個(gè)概念，他當(dāng)時(shí)還不知道。

2005年，奎羅加的團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，這些細(xì)胞因此被俗稱(chēng)為“詹妮弗·安妮斯頓細(xì)胞”。然而，由于長(zhǎng)期以來(lái)“祖母細(xì)胞”概念的負(fù)面聯(lián)想，“讓人們接受這些細(xì)胞的可能性是最難的部分” ，科赫說(shuō)道。在一篇相關(guān)的評(píng)論文章中，神經(jīng)科學(xué)家查爾斯·康納（Charles Connor）寫(xiě)道：“沒(méi)人愿意被指責(zé)相信‘祖母細(xì)胞’的存在。但……”

這些細(xì)胞真的是祖母細(xì)胞嗎？“我非常反對(duì)這種觀點(diǎn)。”奎羅加說(shuō)道。確實(shí)，這些細(xì)胞表現(xiàn)出高度的選擇性，僅對(duì)詹妮弗·安妮斯頓激活，有時(shí)也可能對(duì)與她密切相關(guān)的人物激活，例如《老友記》的其他演員。然而，祖母細(xì)胞的諷刺概念假設(shè)每個(gè)概念都對(duì)應(yīng)一個(gè)單一的神經(jīng)元，而事實(shí)并非如此。

在發(fā)表研究結(jié)果一年后，奎羅加的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了數(shù)據(jù)計(jì)算。根據(jù)心理學(xué)家的估計(jì)，大腦可以區(qū)分大約兩萬(wàn)個(gè)語(yǔ)義概念，他們推算出，每個(gè)概念可能由數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元編碼。此外，每個(gè)概念細(xì)胞也可能同時(shí)編碼幾十個(gè)不同但往往相關(guān)的概念。

比如負(fù)責(zé)哈利·波特的細(xì)胞可能同時(shí)對(duì)羅恩·韋斯萊或赫敏·格蘭杰有反應(yīng)，甚至對(duì)《指環(huán)王》中同樣是巫師的甘道夫也有反應(yīng)。“同樣的職責(zé)，不同的故事。”莫爾曼（Mormann）說(shuō)，“有時(shí)候，概念細(xì)胞的選擇性非常窄，只對(duì)某個(gè)特定的人作出反應(yīng)，不會(huì)對(duì)其他人有反應(yīng)。而有時(shí)候，它們的選擇性更寬泛，可能會(huì)對(duì)某個(gè)類(lèi)別，比如‘巫師’，作出反應(yīng)。”他補(bǔ)充道，同一個(gè)概念細(xì)胞可能也會(huì)因?yàn)椤澳д取被颉按╅L(zhǎng)袍的白胡子老人”而被激活。

盡管概念細(xì)胞可以編碼任何事物，它們并不用于物體識(shí)別，因?yàn)樗鼈兎磻?yīng)速度較慢——大約需要300毫秒的延遲。“為什么會(huì)這么慢目前還不清楚。”洛杉磯西奈醫(yī)療中心的神經(jīng)科學(xué)家烏利·魯?shù)俳B澤（Ueli Rutishauser）說(shuō)道。然而，這些細(xì)胞似乎與一種更加內(nèi)在的過(guò)程相關(guān)，它們形成了一種基于過(guò)去經(jīng)驗(yàn)和記憶的抽象表征。

每個(gè)人的大腦都有不同的概念和細(xì)胞去編碼它們。并不是每個(gè)人都看過(guò)《老友記》或者熟悉名人文化。相反，概念細(xì)胞會(huì)為我們?cè)诤趸蚺c我們有歷史關(guān)聯(lián)的人或物體而發(fā)展。“這種表征依賴于個(gè)體過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和此前建立的關(guān)聯(lián)。”布法羅說(shuō)道。

例如，你的大腦會(huì)將約會(huì)對(duì)象與你們見(jiàn)面的酒吧聯(lián)系起來(lái)，因此關(guān)于這個(gè)人的概念細(xì)胞可能也會(huì)因?yàn)檫@個(gè)酒吧被激活。不過(guò)，莫爾曼指出，只有當(dāng)酒吧和這個(gè)人之間有非常緊密的聯(lián)系時(shí)，這種情況才會(huì)發(fā)生。如果這是一個(gè)你經(jīng)常去的地方，這種神經(jīng)元關(guān)聯(lián)就不太可能出現(xiàn)。

在發(fā)表研究結(jié)果后的幾年里，奎羅加一直試圖讓“概念細(xì)胞”這一術(shù)語(yǔ)被廣泛接受。然而，這一術(shù)語(yǔ)直到2012年才真正流行起來(lái)，當(dāng)時(shí)他在《自然》上發(fā)表了一篇論文，題為《概念細(xì)胞：陳述性記憶功能的構(gòu)建模塊》（Concept cells: the building blocks of declarative memory functions）。

這篇論文提出了他的假設(shè)：大腦利用概念細(xì)胞將來(lái)自外界的信息轉(zhuǎn)化為記憶。這個(gè)過(guò)程需要抽象化：從經(jīng)驗(yàn)中提取相關(guān)信息，剔除不必要的細(xì)節(jié)，并將其存儲(chǔ)起來(lái)。他認(rèn)為，概念細(xì)胞作為人、物等具體概念的抽象表征，可以相互連接形成新的關(guān)聯(lián)（類(lèi)似句子中的單詞），并作為記憶的構(gòu)建模塊（如由句子組成的故事）。

“這是我們儲(chǔ)存記憶的骨架。”奎羅加說(shuō)道。

記憶的構(gòu)建

對(duì)于許多科學(xué)家來(lái)說(shuō)，概念細(xì)胞通過(guò)相互連接交織形成記憶的理論在直觀上非常合理。由于記憶對(duì)我們生存至關(guān)重要，“這是對(duì)我們大腦為何能承擔(dān)如此高度專(zhuān)業(yè)化的語(yǔ)義概念細(xì)胞的最好解釋。”波恩大學(xué)的研究生西娜·麥凱（Sina Mackay）說(shuō)道。

在最近發(fā)表在《自然通訊》上的一項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，表明概念細(xì)胞可能將特定的物體與位置關(guān)聯(lián)在我們的長(zhǎng)期記憶中。幾十年來(lái)，研究人員一直在研究?jī)?chǔ)存位置信息的大腦細(xì)胞。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，概念細(xì)胞的激發(fā)模式與位置細(xì)胞的激發(fā)模式相對(duì)應(yīng)，這與患者記住物體位置的能力直接相關(guān)。研究者指出，概念細(xì)胞是記憶的“什么”，而位置細(xì)胞則是“哪里”。

概念細(xì)胞也與工作記憶相關(guān)，這種記憶會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被激活，比如在購(gòu)物或記電話號(hào)碼時(shí)。“這種記憶容量低，且要求非常高。”魯?shù)俳B澤說(shuō)道，“稍微分心，它就會(huì)消失。”2017年，他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你試圖在工作記憶中保持某些信息時(shí)，概念細(xì)胞會(huì)持續(xù)活躍數(shù)秒。2024年底，他的團(tuán)隊(duì)在《神經(jīng)元》（Neuron）期刊上發(fā)表的一項(xiàng)研究中指出，當(dāng)患者的概念細(xì)胞處于活躍狀態(tài)時(shí)，工作記憶更有可能轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)期記憶中。

工作記憶還會(huì)在你想象一個(gè)場(chǎng)景或講述一個(gè)故事時(shí)被激活。“比如說(shuō)，‘史瑞克和詹妮弗·安妮斯頓走進(jìn)了一家酒吧……或許史瑞克點(diǎn)了一杯啤酒’。”荷蘭神經(jīng)科學(xué)研究所的皮特·魯爾夫塞瑪（Pieter Roelfsema）說(shuō)道。當(dāng)你閱讀這句話時(shí)，“安妮斯頓”“史瑞克”“酒吧”這些概念會(huì)一個(gè)接一個(gè)地連接起來(lái)。這可能就是概念細(xì)胞在想象過(guò)程中發(fā)揮作用的表現(xiàn)。“你正在工作記憶中逐步構(gòu)建某種內(nèi)容，使其越來(lái)越豐富，甚至越來(lái)越真實(shí)。”他說(shuō)道，“然后故事展開(kāi)。”

魯爾夫塞瑪?shù)膱F(tuán)隊(duì)最近發(fā)現(xiàn)，概念細(xì)胞也會(huì)對(duì)代詞做出反應(yīng)。研究顯示，用來(lái)代指“史瑞克”的代詞“他”激活了與“史瑞克”相同的概念細(xì)胞。“代詞隨后將注意力引向‘史瑞克’這一概念，他將成為下一句的主角。”魯爾夫塞瑪說(shuō)道，“能夠測(cè)量到這一點(diǎn)，真是太美妙了。”

“瑞士軍刀”神經(jīng)元

研究人員仍在探討概念神經(jīng)元如何與大腦其他模型結(jié)合，共同表征外部世界。紐約大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家尤里·布扎基（Gy?rgy Buzsáki）認(rèn)為，概念神經(jīng)元是“一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)”。然而，大腦對(duì)概念的表征在不同的層次上都在發(fā)生——既有單個(gè)神經(jīng)元的層面，也有神經(jīng)元群體的層面。“哪一個(gè)更重要？”他問(wèn)道。

發(fā)現(xiàn)答案的一個(gè)障礙是，概念細(xì)胞難以定位。目前，這些細(xì)胞只能在臨床環(huán)境中被研究，研究對(duì)象需要因醫(yī)療原因進(jìn)行電極植入。這限制了研究范圍和研究方式。

此外，如何定義這些細(xì)胞也存在困難。加州大學(xué)圣地亞哥分校的神經(jīng)科學(xué)家科里·米勒（Cory Miller）指出，部分問(wèn)題在于“概念”本身的定義模糊不清。例如，我們是否有負(fù)責(zé)情緒之類(lèi)體驗(yàn)的概念細(xì)胞，尚不明確。

一種有趣的可能性是，海馬體中的多種細(xì)胞可以被重新映射，在不同的情境下完成不同的任務(wù)。“當(dāng)你回顧歷史和整體研究圖景時(shí)，你會(huì)開(kāi)始感到疑惑。”布扎基說(shuō)道，“有時(shí)間細(xì)胞、位置細(xì)胞、邊界細(xì)胞、邊界向量細(xì)胞，還有概念細(xì)胞……然后你會(huì)想，‘不可能啊，海馬體的神經(jīng)元數(shù)量是有限的。’”

布法羅認(rèn)為，這些神經(jīng)元可能根據(jù)需要扮演不同的角色、承擔(dān)不同的功能。當(dāng)它需要是一個(gè)‘詹妮弗·安妮斯頓’的概念細(xì)胞時(shí)，它就能是。當(dāng)它需要成為一個(gè)位置細(xì)胞，幫助你導(dǎo)航到酒吧里的馬提尼酒時(shí)，它也能是。“這些神經(jīng)元就像 “瑞士軍刀”一樣。”米勒表示。

少數(shù)能夠接觸到患者和高分辨率神經(jīng)元記錄技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)，正興奮地繼續(xù)著他們的實(shí)驗(yàn)。莫爾曼希望深入研究這些概念細(xì)胞究竟能達(dá)到多么抽象的程度。他的初步數(shù)據(jù)表明，一些概念細(xì)胞會(huì)對(duì)廣泛而模糊的概念（如“政府”和“稅收”）作出反應(yīng)，而更多的細(xì)胞則會(huì)對(duì)具體的概念（如“詹妮弗·安妮斯頓”）作出反應(yīng)。

與此同時(shí)，奎羅加正試圖證明概念細(xì)胞是否是人類(lèi)所獨(dú)有的功能。這是一個(gè)備受爭(zhēng)議的觀點(diǎn)，可能帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。如果沒(méi)有其他動(dòng)物能夠在大腦中表征抽象概念，他認(rèn)為，“我會(huì)說(shuō)，這就是我們智慧的基礎(chǔ)。”

現(xiàn)在讀完這篇文章后，你的大腦可能已經(jīng)形成了一組新的概念細(xì)胞，專(zhuān)門(mén)編碼“概念細(xì)胞”這一概念——一個(gè)我們竟然能夠用大腦理解并接受的想法。

作者：Yasemin Saplakoglu

譯者：EY

封面：Simon Prades

原文：https://www.quantamagazine.org/concept-cells-help-your-brain-abstract-information-and-build-memories-20250121/