我們短期只能記4、5個事物？是什麼限制了工作記憶的容量？

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研究者發現當工作記憶過載時，大腦有三個腦區會失去原本的協調同步。該發現亦為大腦工作原理的另一個更普適理論提供了新支持。

1956年，著名認知心理學家喬治·米勒（George Miller）發表了在認知領域內引用次數最高的論文之一——《神奇數字7±2》（The Magical Number Seven, Plus or Minus Two）。在論文中，他認為，儘管大腦可以用數以億計的神經連接來儲存人一生的知識，但能在意識中短期儲存的事物數量卻是有限的——平均來說，大概7個。

米勒認為：無論是一串數字、房間里的物品、一列單詞，還是重疊的聲響——統統都只有7項可以被塞進所謂的「工作記憶」——這個可供我們的注意力或其它認知過程訪問的臨時空間。它們在工作記憶中的保留時間也很短：一旦我們不再主動地去想，它們就會被儲存到其它地方或者乾脆被忘掉。

自從米勒的時代，神經科學家和心理學家都一直在研究工作記憶和它小得驚人的容量。他們發現這個容量可能並不到7，而是更接近4或5。他們還研究了人們如何在工作記憶的容量限制下變通，例如將電話號碼的數字組合起來記憶（把1，4作為單一的「14」來記憶）、或者創造記憶技巧，從長期記憶中提取π的小數序列。

然而這些研究都沒能解答一個最讓人迷惑的問題：工作記憶在負載超過這個很低的閾值之後，就會變得不再可靠——這背後的機制到底是什麼？科學家們發現：嘗試記住更多事物會導致信息退化——神經對信息的編碼變得「稀薄」、大腦節律發生變化、記憶分崩離析。在神經疾病患者（例如精神分裂症）中，這個本來就很低的閾值甚至會變得更低。

導致這些故障的機制，直到最近才開始明晰。

3月發表在《大腦皮層》（Cerebral Cortex）上的一篇論文中，三位科學家發現大腦腦區間「反饋」信號的顯著衰落可以解釋工作記憶為何會在過載時崩解。他們不僅為記憶的功能和功能障礙提供了啟發，也為另一個最近很火的，解釋大腦如何處理信息的理論——預測性編碼（predictive coding）——提供了新的證據。

腦中齊聲的哼唱

厄爾·米勒（Earl Miller），麻省理工大學皮考爾學習和記憶研究所（Picower Institute for Learning and Memory, Massachusetts Institute of Technology）的一位神經科學家，聯合季米特里斯·皮諾齊斯（Dimitris Pinotsis），他實驗室的一名研究員、以及普林斯頓大學（Princeton University）的一名助理教授，蒂莫西·布希曼（Timothy Buschman），想一起弄明白是什麼機制把工作記憶的容量限制得那麼低。

他們已經知道，一個由三個腦區組成的網路會在視覺工作記憶時活躍。這三個腦區包括前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）、額葉眼動區（frontal eye field, FEF）和側頂內溝區（lateral intraparietal area, LIP）。但是他們還沒有觀察過在記得和不記得時，這些區域的神經活動會有什麼區別——尤其是在工作記憶超負荷的情況下。

於是他們使用了一個米勒實驗室幾年前用過的工作記憶測試。在這個測試中，猴子會先看到一組彩色方塊（屏1），隨後是短暫的黑屏（屏2），然後屏1再次出現，但其中一個彩色方塊改變了顏色。猴子需要找到這一個變色的方塊。重要的是：有時，方塊的數量會比工作記憶的容量要小，有時則比工作記憶容量要大。猴子腦內的電極會在猴子做任務時，記錄腦波的激活時間和頻率。

這些腦波實際上是數以萬計的神經元協調一致的韻律——在它們同時活躍與靜息時呈現在局域電場中。當兩個腦區呈現出在時間和頻率上都一致的韻律振蕩時，兩個腦區被稱為「同步」。「感覺就好像它們在一起哼唱，」米勒說，「一起哼唱的神經元們就在相互交談。」

米勒和他的同事在最新的研究中，重新挖掘了之前在猴子腦中收集的振蕩數據，以尋找這個由三個部分組成的記憶系統如何工作的線索。他們建立了一個詳盡的機理模型，在模型中，他們基於之前的研究，對該系統結構和活動做出一些假定，例如不同神經元集群的位置和屬性（比如說它們是興奮性還是抑制性神經元），還有振蕩的頻率是多少等等。研究者隨後為不同腦區如何互相「交談」提出了數個互不兼容的假說，這些假說之間的差異包括對話的方向和強度。他們比較了模型的計算結果和實驗數據，以此確定哪個假說最有可能是對的。

他們的模型確認了三個腦區的活動——就像三個人在做複雜的拋接球雜耍。前額葉皮層似乎在腦中為外部世界建立一個模型。它將這個模型用「自上而下」的反饋信號傳達給低層級的腦區。同時，額葉眼動區和側頂內溝區以「自下而上」的前饋方式，將感覺輸入的原始信號傳送到前額葉的深層區域。通過比較自上而下的模型信號和自下而上的感覺信息，大腦可以根據兩者的差別搞明白身體在經歷什麼，由此調整自己的內部模型。

米勒和他的同事發現，當所需記憶的方塊數量超過猴子的工作記憶容量時，源自前額葉皮層的自上而下反饋信號便崩塌了。而來自另外兩個腦區的前饋連接卻還在持續傳輸。

根據研究者的理論模型，反饋信號的衰弱導致腦區間同步的減弱。失去了來自前額葉皮層的預測性信號，工作記憶的網路不再同步。

模型的更新

但為什麼自上而下的反饋那麼容易受所需記憶的事物數量影響呢？研究者們提出的假說是：來自前額葉皮層的模型信號實質上反映了一組對「我將感知什麼」的預測，在本研究中，這個預測就是工作記憶中保持的事物的內容。「舉個例子，當你閱讀這句話時，你會對當前的單詞、短語和句子有一個預期，」倫敦大學學院神經科學家，卡爾·弗里斯頓（Karl Friston）在郵件中寫道，他並未參與該研究，「對當前句子的預期有所表徵，意味著你對過去和未來也有潛在的表徵。」

許多神經科學家相信，大腦在進行日常的認知和指令活動時，非常依賴這種對感覺信息的「預測性編碼」。米勒和他的同事提出理論認為，當在工作記憶中所需記憶的東西太多時，對這些東西的預測難以被編碼進前額葉的反饋信號中。最終，反饋信號崩潰，工作記憶系統也因過載而故障。

米勒和其他科學家的實驗室正在努力揭示，腦波的相互作用是否在工作記憶中發揮更重要的角色。在工作記憶的傳統理論模型中，人們更強調單個神經元的發放率。他們也正在探究為什麼工作記憶的容量為四到五而不是其它。米勒認為大腦就像玩拋接的雜耍演員，在工作記憶中，一次在手上只能握一個球，其它幾個球則拋在空中，輪流接住，拋起。「這意味著工作記憶中的所有信息都得被塞進同一個腦波中，」他說，「當這個腦波的容量用滿時，你也就達到了工作記憶的極限。」

「如今的問題是下一步做什麼，」法國國家科學研究中心的魯芬·旺呂朗（Rufin VanRullen）說，他認為該研究中的理論建模和結論「很有力」，不過還需要更多實驗數據的驗證，「我們需要深入大腦內部，尋找更多直接證據支持這些聯繫。」

這些研究的潛在回報很大。實驗證據對預測性編碼模型的支持與鞏固不僅將加深我們對工作記憶以及大腦如何運轉的理解，還會讓我們搞懂神經疾病患者的記憶系統哪裡出了錯。而且，根據弗里斯頓的說法，他還能為我們理解所謂的「智能」——甚至是「自我」，提供更多至關重要的啟示。不說別的，對大腦的反饋連接的功能加深理解首先就能讓人工智慧研究向前邁進一大步。目前的人工智慧演算法大多關注前饋信號和分類任務。「但是有時系統根據的是它的記憶，而非正看到的東西，來做出決策。」皮諾齊斯說。

翻譯：顧金濤校對：octavarium1999編輯：EON原文：https://www.quantamagazine.org/overtaxed-working-memory-knocks-the-brain-out-of-sync-20180606/

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