從前，一位名叫阿卡基·阿卡基耶維奇的傑出俄羅斯神經外科醫生，有一位病人想要忘記他專橫跋扈、難以相處的母親。
為了滿足病人的願望，阿卡基耶維奇打開了病人的大腦，並一個接一個地消融了數千個神經元，每個神經元都與他母親的概念有關。當病人從麻醉中醒來時，他已經完全失去了關於他母親的概念。所有關於她的記憶，無論是好是壞，都消失了。阿卡基耶維奇對自己的成功感到欣喜若狂，轉而關注下一個目標——尋找與“祖母”記憶相關的細胞。
當然，這個故事是虛構的。已故神經科學家傑裡·萊特文（與阿卡基耶維奇不同，他是真實存在的）在1969年在麻省理工學院向一群學生講述了這個故事，以說明一個具有煽動性的觀點，即僅約18,000個神經元就可以構成任何特定的意識體驗、思想或對親戚或我們可能遇到的任何其他人或物體的記憶的基礎。萊特文從未證明或反駁他大膽的假設，40多年來，科學家們一直在辯論（大多是開玩笑）“祖母細胞”的想法。
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神經元以如此高度特異性的方式儲存記憶的想法可以追溯到威廉·詹姆斯，他在19世紀後期構想了“橋粒細胞”，我們的意識與之相連。然而，這些細胞的存在與主流觀點相悖，主流觀點認為，對任何特定個體或物體的感知是透過數百萬甚至數十億神經細胞的集體活動來完成的，諾貝爾獎獲得者查爾斯·謝林頓在1940年稱之為“百萬倍的民主”。在這種情況下，任何一個神經細胞的活動都是毫無意義的。只有龐大的神經元群體的協作才能創造意義。
神經科學家們繼續爭論，是相對較少的神經元——大約數千個或更少——充當特定概念的儲存庫，還是需要數億個神經元廣泛分佈在整個大腦中。解決這場爭端的嘗試正在幫助我們對記憶和意識思維的工作原理產生新的理解——並且得到好萊塢的一些幫助。
詹妮弗·安妮斯頓神經元
幾年前——與現在哈佛醫學院的教員加布裡埃爾·克雷曼和現在圖盧茲大腦與認知研究中心的蕾拉·雷迪一起——我們進行了一些實驗，這些實驗導致在一個病人的海馬體中發現了一個神經元。海馬體是一個已知參與記憶過程的大腦區域，該神經元對女演員詹妮弗·安妮斯頓的不同照片反應非常強烈，但對其他數十位演員、名人、地點和動物沒有反應。在另一位病人中，海馬體中的一個神經元在看到女演員哈莉·貝瑞的照片，甚至是在電腦螢幕上寫下她的名字時會亮起，但對其他任何東西都沒有反應。另一個神經元有選擇性地對奧普拉·溫弗瑞的照片以及電腦合成聲音寫在螢幕上和說出的名字做出反應。還有一個神經元對盧克·天行者的照片以及他書寫和口述的名字做出反應，依此類推。
這種觀察是透過直接記錄單個神經元的活動來實現的。其他更常見的技術，如功能性腦成像，可以精確定位志願者執行給定任務時整個大腦的活動。然而，儘管功能性成像可以追蹤通常數百萬個細胞的總體功耗，但它無法識別小神經元群，更不用說單個細胞了。為了記錄單個神經元發出的電脈衝，需要將比人類頭髮還細的微電極植入大腦。這種技術不如功能性成像常用，只有特殊的醫療情況才需要將這些電極植入人體。
癲癇病患者的治療就是這些罕見情況之一。當癲癇發作無法透過藥物控制時，這些患者可能是補救手術的候選人。醫療團隊檢查臨床證據，這些證據可以精確定位癲癇發作開始的區域，即癲癇灶，該區域有可能透過手術切除來治癒患者。最初，評估包括非侵入性程式，如腦成像、臨床證據的考慮以及病理性電活動的研究——大量同步發生的癲癇放電——以及從患者頭皮上進行的腦電圖記錄。但是，當無法透過這些方法準確確定癲癇灶的位置時，神經外科醫生可能會將電極深入顱骨內部，以連續監測住院期間數天的大腦活動，然後分析觀察到的癲癇發作。
科學家有時會要求患者在監測期間自願參加研究，在這些研究中，當記錄大腦活動時，會執行各種認知任務。在加州大學洛杉磯分校，我們採用了一種獨特的技術，使用帶有微小微絲的柔性電極在顱骨內進行記錄；這項技術是由我們中的一位（弗裡德）開發的，他負責加州大學洛杉磯分校的癲癇外科專案，並與來自世界各地的其他科學家合作，包括加州理工學院科赫的研究小組和英國萊斯特大學奎安·奎羅加的實驗室。這項技術提供了一個非凡的機會，可以直接從清醒患者的單個神經元中記錄數天，並提供研究神經元在各種任務期間放電的能力——監測患者在筆記型電腦上觀看影像、回憶記憶或執行其他任務時發生的持續喋喋不休。這就是我們發現詹妮弗·安妮斯頓神經元並無意中重燃了萊特文寓言引發的辯論的方式。
祖母細胞再探
像詹妮弗·安妮斯頓神經元這樣的神經細胞是長期爭論的祖母細胞嗎？要回答這個問題，我們必須更精確地說明我們所說的祖母細胞是什麼意思。關於祖母細胞假說的一種極端思考方式是，只有一個神經元對一個概念做出反應。但是，如果我們能找到一個對詹妮弗·安妮斯頓做出反應的單個神經元，這強烈表明肯定有更多——在數十億個神經元中找到唯一一個神經元的機率微乎其微。此外，如果只有一個神經元負責一個人對詹妮弗·安妮斯頓的整個概念，並且它因疾病或事故而受損或被破壞，那麼關於詹妮弗·安妮斯頓的所有痕跡都會從記憶中消失，這是一個極不可能發生的前景。
祖母細胞的一個不太極端的定義是，不止一個孤立的神經元對任何一個概念做出反應。這個假設是合理的，但即使不是不可能，也很難證明。我們無法嘗試每個可能的概念來證明神經元僅對詹妮弗·安妮斯頓放電。事實上，情況往往相反：我們經常發現神經元對不止一個概念做出反應。因此，如果神經元在實驗期間僅對一個人放電，我們不能排除它也可能對我們碰巧沒有展示的某些其他刺激放電。
例如，在發現詹妮弗·安妮斯頓神經元的第二天，我們重複了實驗，現在使用了更多與她相關的照片，並發現該神經元也對麗莎·庫卓放電，麗莎·庫卓是電視劇《老友記》中的聯合主演，這部劇將她們都捧紅了。對盧克·天行者做出反應的神經元也對尤達放電，尤達是《星球大戰》中的另一位絕地武士；另一個神經元對兩位籃球運動員放電；另一個神經元對本文的作者之一（奎安·奎羅加）以及其他在加州大學洛杉磯分校與患者互動的同事放電，等等。即便如此，仍然可以認為這些神經元是祖母細胞，它們正在對更廣泛的概念做出反應，即《老友記》中的兩位金髮女郎、《星球大戰》中的絕地武士、籃球運動員或與患者一起進行實驗的科學家。這種擴充套件的定義將關於這些神經元是否應被視為祖母細胞的討論變成了一個語義問題。
讓我們暫時拋開語義，轉而關注這些所謂的詹妮弗·安妮斯頓神經元的一些關鍵方面。首先，我們發現每個細胞的反應都非常具有選擇性——每個細胞都對呈現給患者的名人、政治家、親戚、地標等的照片中的一小部分放電。其次，每個細胞對特定個體或地點的多種表徵做出反應，而與所用照片的具體視覺特徵無關。事實上，細胞對同一人的不同照片，甚至對其書寫或口述的名字，都會以類似的方式放電。就好像神經元在其放電模式中告訴我們：“我知道她是詹妮弗·安妮斯頓，無論你以何種方式向我展示她，無論是穿著紅色連衣裙、側面輪廓、書寫的名字，甚至是當你大聲喊出她的名字時，都無關緊要。” 那麼，神經元似乎是對概念——對事物本身的任何表徵——做出反應。因此，這些神經元可能更恰當地被稱為概念細胞，而不是祖母細胞。概念細胞有時可能對不止一個概念放電，但如果它們這樣做，這些概念往往是密切相關的。
概念程式碼
為了理解少量細胞如何與詹妮弗·安妮斯頓這樣的特定概念聯絡起來，瞭解大腦捕獲和儲存我們周圍世界中遇到的無數物體和人物影像的複雜過程是有幫助的。眼睛接收的資訊首先透過離開眼球的視神經到達頭部後部的初級視覺皮層。那裡的神經元對構成影像的微小細節的一部分做出反應，就好像每個神經元都像數字影像中的畫素一樣亮起，或者像喬治·修拉的點彩畫中的彩色點一樣。
一個神經元不足以判斷細節是臉部、茶杯還是埃菲爾鐵塔的一部分。每個細胞都構成一個集合的一部分，一個產生複合影像的組合，例如《大碗島的星期日下午》。如果圖片略有變化，一些細節也會發生變化，相應神經元集合的放電也會隨之改變。
大腦需要處理感覺資訊，以便它捕獲的不僅僅是一張照片——它必須識別物體並將其與已知的事物整合起來。從初級視覺皮層開始，由影像觸發的神經元啟用透過一系列皮層區域向更靠前方的區域移動。這些更高階視覺區域中的單個神經元對整個面部或整個物體做出反應，而不是對區域性細節做出反應。這些高階神經元中的一個就可以告訴我們影像是面部而不是埃菲爾鐵塔。如果我們稍微改變圖片，移動它或改變照射它的光線，它會改變一些特徵，但這些神經元不太關心細節上的細微差異，它們的放電將或多或少保持不變——這種特性被稱為視覺不變性。
高階視覺區域的神經元將其資訊傳送到內側顳葉——海馬體和周圍皮層——它參與記憶功能，也是我們發現詹妮弗·安妮斯頓神經元的地方。海馬體中神經元的反應比高階視覺皮層中的神經元更具體。這些神經元中的每一個都對特定的人，或者更準確地說，是對那個人的概念做出反應：不僅是對面孔和其他外貌特徵，而且還對密切相關的屬性，如人的名字。
在我們的研究中，我們試圖探索有多少個單個神經元放電來代表給定的概念。我們不得不問，是隻有一個、幾十個、幾千個還是幾百萬個。換句話說，概念的表示有多“稀疏”？顯然，我們無法直接測量這個數字，因為我們無法記錄給定區域中所有神經元的活動。當時在加州理工學院與我們中的一位（科赫）一起攻讀博士學位的斯蒂芬·韋多使用統計方法估計，一個特定的概念觸發的放電神經元不超過一百萬左右，在內側顳葉的約十億個神經元中。但是，由於我們使用患者研究中非常熟悉的事物的圖片——這些圖片往往會觸發更多反應——因此這個數字應嚴格視為上限；代表一個概念的細胞數量可能是其十分之一或百分之一，可能接近萊特文猜測的每個概念18,000個神經元。
與這種論點相反，認為大腦並非稀疏地編碼概念，而是將概念分佈在非常龐大的神經元群體中的一個原因是，我們可能沒有足夠的神經元來代表所有可能的概念及其變體。例如，我們是否有足夠的大腦細胞來描繪奶奶微笑、編織、喝茶或在公共汽車站等候，以及英國女王向人群致意，兒童時期的盧克·天行者在塔圖因星或與達斯·維達戰鬥，等等？
要回答這個問題，我們首先應該考慮到，事實上，一個典型的人記住的概念不超過10,000個。與構成內側顳葉的十億個神經細胞相比，這並不算多。此外，我們有充分的理由認為概念可以以稀疏的方式非常有效地編碼和儲存。內側顳葉中的神經元根本不在乎同一概念的不同例項——它們不在乎盧克是坐著還是站著；它們只在乎刺激是否與盧克有關。無論概念如何呈現，它們都會對概念本身放電。使概念更抽象——對盧克的所有例項放電——減少了神經元需要編碼的資訊，並使其能夠高度選擇性，對盧克放電，但不針對詹妮弗。
韋多的模擬研究進一步強調了這一觀點。韋多借鑑了一個詳細的視覺處理模型，構建了一個基於軟體的神經網路，該網路學會了識別許多未標記的飛機、汽車、摩托車和人臉圖片。該軟體在沒有教師監督的情況下做到了這一點。它沒有被告知“這是一架飛機，那是一輛汽車”。它必須自己弄清楚這一點，它基於以下假設：大量可能的影像實際上基於少量的人或物，並且每個概念都由一小部分神經元表示，正如我們在內側顳葉中發現的那樣。透過將這種稀疏表示納入軟體模擬中，該網路學會了區分同一個人或物體，即使以無數種不同的方式顯示，這一發現與我們從人類大腦記錄中觀察到的結果相似。
為什麼需要概念細胞？
我們的研究與大腦如何解讀外部世界並將感知轉化為記憶的問題密切相關。考慮一下著名的1953年H.M.患者的案例，他患有頑固性癲癇。作為阻止癲癇發作的絕望方法，一位神經外科醫生切除了他大腦兩側的海馬體和鄰近區域。手術後，H.M.仍然可以認出人和物體，並記住他在手術前知道的事件，但出乎意料的結果是，他再也無法產生新的持久記憶。沒有海馬體，發生在他身上的一切都很快被遺忘。《記憶碎片》這部2000年的電影圍繞著一個患有類似神經系統疾病的角色展開。
H.M.的案例表明，海馬體以及一般的內側顳葉對於感知來說不是必需的，但對於將短期記憶（我們暫時記住的事情）轉化為長期記憶（記住幾個小時、幾天或幾年的事情）至關重要。根據這一證據，我們認為概念細胞（位於這些區域）對於將我們的意識中的內容——無論是由感覺輸入還是內部回憶觸發的——轉化為長期記憶至關重要，長期記憶稍後將儲存在大腦皮層的其他區域。我們認為，我們發現的詹妮弗·安妮斯頓神經元對於患者識別這位女演員或記住她是誰不是必需的，但它對於將安妮斯頓帶入意識以建立與她相關的新聯絡和記憶至關重要，例如以後記住看到她的照片。
我們的大腦可能使用少量概念細胞將同一事物的許多例項表示為一個獨特的概念——一種稀疏且不變的表示。概念細胞的工作方式在很大程度上解釋了我們記憶的方式：我們回憶起各種偽裝的詹妮弗和盧克，而不是記住他們臉上的每一個毛孔。我們既不需要（也不想）記住發生在我們身上的任何事情的每一個細節。
重要的是抓住涉及與我們相關的個人和概念的特定情況的要點，而不是記住無數毫無意義的細節。如果我們在咖啡館遇到一個我們認識的人，記住這次會面中的一些顯著事件比記住這個人確切的穿著、他使用的每一個詞或咖啡館裡其他放鬆的陌生人的樣子更重要。概念細胞傾向於對個人相關的事物放電，因為我們通常會記住涉及我們熟悉的人和事物的事件，而我們不會投入精力來記憶沒有特殊關聯的事物。
記憶不僅僅是單個孤立的概念。關於詹妮弗·安妮斯頓的記憶涉及她——或者她在《老友記》中的角色——參與的一系列事件。對單個記憶片段的完整回憶需要不同但相關的概念之間的聯絡：詹妮弗·安妮斯頓與你坐在沙發上，一邊用勺子舀冰淇淋一邊看《老友記》的概念聯絡起來。
如果兩個概念相關，則編碼一個概念的某些神經元也可能對另一個概念放電。這個假設為大腦中神經元如何編碼關聯提供了生理學解釋。細胞傾向於對相關概念放電可能確實是情景記憶（例如咖啡館會面期間的特定事件序列）或意識流的基礎，意識流會自發地從一個概念轉移到另一個概念。我們看到詹妮弗·安妮斯頓，這種感知會喚起對電視、沙發和冰淇淋的記憶——這些相關概念是觀看《老友記》一集的記憶的基礎。類似的過程也可能在儲存在不同皮層區域的同一概念的各個方面之間建立聯絡，將玫瑰的氣味、形狀、顏色和紋理——或詹妮弗的外貌和聲音——結合在一起。
鑑於以抽象概念儲存高階記憶的明顯優勢，我們還可以問，為什麼這些概念的表示必須稀疏地分佈在內側顳葉中。建模研究提供了一個答案，這些研究一直表明稀疏表示對於建立快速關聯是必要的。
技術細節很複雜，但總體思路很簡單。想象一下，對於我們在咖啡館遇到的人，使用分散式（與稀疏相反）表示，神經元編碼該人的每個微小特徵。想象一下咖啡館本身的另一個分散式表示。在人與咖啡館之間建立聯絡將需要在代表每個概念的不同細節之間建立聯絡，但又不會將它們與其他人混淆，因為咖啡館看起來像一家舒適的書店，而我們的朋友看起來像我們認識的其他人。
使用分散式網路建立此類連結非常緩慢，並會導致記憶混淆。相比之下，使用稀疏網路建立此類連線既快速又容易。它只需要在代表每個概念的細胞群之間建立一些連結，讓一些神經元開始對這兩個概念都放電。稀疏表示的另一個優點是可以新增新事物，而不會深刻影響網路中的其他一切。這種分離對於分散式網路來說更難實現，在分散式網路中，新增新概念會改變整個網路的邊界。
概念細胞將感知與記憶聯絡起來；它們給出了語義知識的抽象和稀疏表示——人、地點、物體，構成我們個人世界的所有有意義的概念。它們構成了我們生活的事實和事件記憶的基石。它們優雅的編碼方案使我們的大腦能夠拋開無數不重要的細節，並提取可用於建立新關聯和記憶的意義。它們編碼了從我們的經驗中保留下來的關鍵資訊。
概念細胞不太像萊特文設想的祖母細胞，但它們可能是人類認知能力的重要物理基礎，是思想和記憶的硬體組成部分。