一項對因醫療原因在大腦組織中植入電極的人的神經元活動研究發現，人類大腦不斷地在日常經驗中捕捉模式——並且可以在沒有意識思考的情況下做到這一點。
該研究表明，關鍵大腦區域的神經元結合了關於發生什麼以及何時發生的資訊，使大腦能夠挑選出事件隨時間展開的模式。作者說，這有助於大腦預測即將發生的事件。這項工作今天發表在《自然》雜誌上。
“大腦做了很多我們沒有意識到的事情，”挪威科技大學（位於特隆赫姆）的神經科學家愛德華·莫澤說。“這也不例外。”
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資料洪流
為了理解我們周圍的世界，大腦必須處理大量關於發生什麼、在哪裡發生以及何時發生的資訊。該研究的作者想探索大腦如何隨時間組織這些資訊——這是學習和記憶中的關鍵一步。
該團隊研究了 17 位患有癲癇症並在大腦中植入電極以準備手術治療的人。這些電極使作者能夠直接捕捉多個大腦區域中單個神經元的活動。
這些區域包括海馬體和內嗅皮層，它們參與記憶和導航。這些區域包含時間和地點細胞，它們充當身體的內部時鐘和 GPS 系統，編碼時間和位置。“所有進入我們大腦的外部世界都必須透過該系統過濾，”該研究的共同作者、加州大學洛杉磯分校的神經外科醫生和神經科學家伊扎克·弗裡德說。
面孔遊行
在為主要實驗做準備時，研究人員向每位參與者展示了各種面孔影像。對於每位參與者，科學家們識別出六張面孔，這些面孔促使參與者大腦中的單個神經元強烈放電。例如，一位參與者可能有一個“戴墨鏡的男人”神經元，以及一個“戴帽子的女人”神經元，以及另外四個分別偏愛特定面孔的神經元。
研究小組將每位參與者的六張影像排列成一個三角形，每個角上有一張影像，每條邊上也有一張影像。每張影像透過沿著三角形的邊和穿過其內部的線連線到其最近的鄰居。
在實驗試驗中，參與者觀看了一系列面孔影像。一個簡單的規則決定了影像的順序：每張面孔之後都跟著一張在三角形上與其相連的面孔。例如，如果第一張面孔是三角形左下角的那張面孔，那麼第二張面孔將是它的兩個直接鄰居之一：三角形底邊中間的面孔或三角形左側中間的面孔。實驗者沒有向參與者透露這個規則。更重要的是，他們透過在每次試驗中詢問參與者關於影像內容的問題來分散他們的注意力。
在實驗過程中，每位參與者的海馬體和內嗅皮層中的神經元逐漸開始不僅對呈現的面孔做出反應，而且對三角形上直接與其相連的面孔也做出反應。當被問及是否注意到影像順序有任何模式時，參與者表示他們沒有。但他們的大腦仍然學會了這種模式，表明大腦可以在沒有意識意識的情況下識別模式。在試驗之間的休息期間，參與者的“面孔”神經元重放了他們所學到的東西，自行迴圈遍歷模式，而無需受到刺激來這樣做。
“這是非顯性的，它是內隱的。而大腦基本上很快就明白了，我們可以看到單個細胞中的這些變化，”弗裡德說。
面向未來的神經元
作者發現神經元還可以預測接下來會出現哪些影像，這表明大腦可以學會根據學到的模式來預測未來事件。
英國布里斯托大學的神經科學家馬特·瓊斯說：“在沒有任何外部激勵因素的情況下發生這種情況真的很有趣。” “許多發現與齧齒動物研究的預測非常一致，突出了海馬迴路是如何進化來構建我們的認知地圖的，”他補充道。
瞭解大腦如何組織有關事件序列的資訊可能具有重要的臨床應用。例如，記憶增強療法可能側重於增強代表重要記憶的特定神經元模式，弗裡德說。“最終這是一個將事物按時間順序組合在一起的問題。這才是記憶的關鍵所在。”
本文經許可轉載，並於 2024 年 9 月 25 日首次發表。