來(lái)自theatlantic

作者：Emily Singer

機(jī)器之心編譯出品

參與：陸壓、viceversa、Fm018-龐

來(lái)自波士頓大學(xué)的一項(xiàng)研究表明我們的大腦可能使用同一群神經(jīng)元來(lái)表征時(shí)間和空間，論文發(fā)表在《神經(jīng)》（Neuron）上，該項(xiàng)研究是約翰·奧基夫等人的空間定位細(xì)胞研究的延續(xù)，而約翰·奧基夫等人2014年憑借空間定位細(xì)胞得了諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

我們的大腦具有非凡的監(jiān)測(cè)時(shí)間的能力。一個(gè)司機(jī)可以準(zhǔn)確地判斷黃燈變紅前還剩下多少時(shí)間夠闖過(guò)去，一個(gè)舞者能夠保持同一個(gè)節(jié)奏到毫秒精度。但大腦究竟如何追蹤記錄時(shí)間仍是個(gè)謎。研究者們已經(jīng)定位了跟運(yùn)動(dòng)，記憶，顏色視覺(jué)以及其它功能相關(guān)的腦區(qū)，卻并未發(fā)現(xiàn)感知時(shí)間的。事實(shí)上，我們的神經(jīng)計(jì)時(shí)器已經(jīng)難以捉摸到了這種地步，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為這種機(jī)制是分布在整個(gè)大腦的，不同的腦區(qū)有不同的監(jiān)測(cè)器以根據(jù)各自需要來(lái)追蹤記錄時(shí)間。

在過(guò)去的幾年里，一些研究者獲得了越來(lái)越多的證據(jù)，表明那些監(jiān)測(cè)個(gè)體在空間中位置的細(xì)胞同時(shí)也對(duì)時(shí)間的流逝進(jìn)行標(biāo)記。這意味著以在記憶和空間定位方面扮演重要角色而著稱(chēng)的海馬體（hippocampus）和內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）同時(shí)也起到某種計(jì)時(shí)器的作用。

在十一月發(fā)表的一項(xiàng)研究中，波士頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Howard Eichenbaum及其合作者表明，構(gòu)成大鼠腦內(nèi)GPS系統(tǒng)的細(xì)胞的可塑性好于預(yù)期。這些細(xì)胞被稱(chēng)作網(wǎng)格細(xì)胞（grid cells），它們有著典型行為方式，類(lèi)似于航位推算法（譯者注：知道當(dāng)前時(shí)刻位置的條件下，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)的距離和方位，推算下一時(shí)刻位置），即當(dāng)大鼠位于某個(gè)特定的位置時(shí)，某些特定的神經(jīng)元會(huì)發(fā)放動(dòng)作電位。（做出這一發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家分享了2014年的諾貝爾獎(jiǎng)）。Eichenbaum發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大鼠被保持在原地，譬如當(dāng)它跑步機(jī)上跑動(dòng)時(shí)，這些細(xì)胞對(duì)距離和時(shí)間都進(jìn)行追蹤記錄。這項(xiàng)工作顯示大腦對(duì)空間和時(shí)間的感知是相互交織的。

這些發(fā)現(xiàn)有助于拓展我們對(duì)大腦的記憶和導(dǎo)航系統(tǒng)工作機(jī)制的理解。或許網(wǎng)格細(xì)胞（grid cells）和其他類(lèi)似GPS的細(xì)胞都不僅響應(yīng)空間變化，而且能夠編碼任何相關(guān)的性質(zhì)：時(shí)間，氣味，甚至味道。「這可能指向海馬體的一個(gè)很寬泛的功能，」加州大學(xué)舊金山分校研究記憶和海馬體的神經(jīng)科學(xué)家Loran Frank這樣說(shuō)道。「它找出編碼經(jīng)歷的關(guān)鍵神經(jīng)元群體，隨后把經(jīng)歷映射到其上。」

接下來(lái)這些映射構(gòu)建起記憶的框架，為我們永不止歇地流淌著的過(guò)去經(jīng)驗(yàn)提供一個(gè)組織系統(tǒng)。「海馬體就是記憶在時(shí)間和空間中了不起的組合者， 」Eichenbauma說(shuō)，「它提供一個(gè)時(shí)空框架，其他的事件都在這個(gè)框架下發(fā)生。」

為了研究海馬體如何監(jiān)測(cè)時(shí)間，科學(xué)家們讓大鼠在滾輪或小跑步機(jī)上跑動(dòng)。 這種裝置能夠讓大鼠的位置和行為保持恒定，使研究者得以專(zhuān)注于跟時(shí)間相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)。（大鼠總是煩躁，無(wú)法靜止不動(dòng)，因此跑動(dòng)有助于排除它們平時(shí)焦躁不安的行為的干擾。）當(dāng)不同細(xì)胞發(fā)放動(dòng)作電位時(shí)，深深植入在腦中的電極會(huì)記錄到它們。

在Eichenbaum的實(shí)驗(yàn)中，大鼠在跑步機(jī)上跑動(dòng)一定長(zhǎng)的時(shí)間，譬如說(shuō)15秒，隨后獲得獎(jiǎng)勵(lì)。在一次次重復(fù)的過(guò)程中，它的大腦學(xué)習(xí)追蹤記錄這個(gè)15秒的時(shí)間間隔。一些神經(jīng)元在第一秒發(fā)放，另一些在第二秒，以此類(lèi)推，直到15秒結(jié)束。「每個(gè)細(xì)胞會(huì)在跑動(dòng)時(shí)間中的不同時(shí)刻發(fā)放，直到它們填滿整個(gè)時(shí)間間隔，」Eichenbaum說(shuō)道。這種編碼相當(dāng)精確，研究者們能夠通過(guò)僅僅觀察哪些細(xì)胞是活躍的來(lái)預(yù)測(cè)動(dòng)物在跑臺(tái)上跑了多久。Eichenbaum的團(tuán)隊(duì)也在不同的跑步機(jī)速度下重復(fù)了這些實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)這些細(xì)胞并不是在簡(jiǎn)單地標(biāo)記跑動(dòng)的距離。（一些細(xì)胞的確也追蹤距離，但有一些似乎完全只跟時(shí)間有關(guān)。）

來(lái)自theatlantic

作者：Emily Singer

機(jī)器之心編譯出品

參與：陸壓、viceversa、Fm018-龐

來(lái)自波士頓大學(xué)的一項(xiàng)研究表明我們的大腦可能使用同一群神經(jīng)元來(lái)表征時(shí)間和空間，論文發(fā)表在《神經(jīng)》（Neuron）上，該項(xiàng)研究是約翰·奧基夫等人的空間定位細(xì)胞研究的延續(xù)，而約翰·奧基夫等人2014年憑借空間定位細(xì)胞得了諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

我們的大腦具有非凡的監(jiān)測(cè)時(shí)間的能力。一個(gè)司機(jī)可以準(zhǔn)確地判斷黃燈變紅前還剩下多少時(shí)間夠闖過(guò)去，一個(gè)舞者能夠保持同一個(gè)節(jié)奏到毫秒精度。但大腦究竟如何追蹤記錄時(shí)間仍是個(gè)謎。研究者們已經(jīng)定位了跟運(yùn)動(dòng)，記憶，顏色視覺(jué)以及其它功能相關(guān)的腦區(qū)，卻并未發(fā)現(xiàn)感知時(shí)間的。事實(shí)上，我們的神經(jīng)計(jì)時(shí)器已經(jīng)難以捉摸到了這種地步，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為這種機(jī)制是分布在整個(gè)大腦的，不同的腦區(qū)有不同的監(jiān)測(cè)器以根據(jù)各自需要來(lái)追蹤記錄時(shí)間。

在過(guò)去的幾年里，一些研究者獲得了越來(lái)越多的證據(jù)，表明那些監(jiān)測(cè)個(gè)體在空間中位置的細(xì)胞同時(shí)也對(duì)時(shí)間的流逝進(jìn)行標(biāo)記。這意味著以在記憶和空間定位方面扮演重要角色而著稱(chēng)的海馬體（hippocampus）和內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）同時(shí)也起到某種計(jì)時(shí)器的作用。

在十一月發(fā)表的一項(xiàng)研究中，波士頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Howard Eichenbaum及其合作者表明，構(gòu)成大鼠腦內(nèi)GPS系統(tǒng)的細(xì)胞的可塑性好于預(yù)期。這些細(xì)胞被稱(chēng)作網(wǎng)格細(xì)胞（grid cells），它們有著典型行為方式，類(lèi)似于航位推算法（譯者注：知道當(dāng)前時(shí)刻位置的條件下，通過(guò)測(cè)量移動(dòng)的距離和方位，推算下一時(shí)刻位置），即當(dāng)大鼠位于某個(gè)特定的位置時(shí)，某些特定的神經(jīng)元會(huì)發(fā)放動(dòng)作電位。（做出這一發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家分享了2014年的諾貝爾獎(jiǎng)）。Eichenbaum發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大鼠被保持在原地，譬如當(dāng)它跑步機(jī)上跑動(dòng)時(shí)，這些細(xì)胞對(duì)距離和時(shí)間都進(jìn)行追蹤記錄。這項(xiàng)工作顯示大腦對(duì)空間和時(shí)間的感知是相互交織的。

這些發(fā)現(xiàn)有助于拓展我們對(duì)大腦的記憶和導(dǎo)航系統(tǒng)工作機(jī)制的理解。或許網(wǎng)格細(xì)胞（grid cells）和其他類(lèi)似GPS的細(xì)胞都不僅響應(yīng)空間變化，而且能夠編碼任何相關(guān)的性質(zhì)：時(shí)間，氣味，甚至味道。「這可能指向海馬體的一個(gè)很寬泛的功能，」加州大學(xué)舊金山分校研究記憶和海馬體的神經(jīng)科學(xué)家Loran Frank這樣說(shuō)道。「它找出編碼經(jīng)歷的關(guān)鍵神經(jīng)元群體，隨后把經(jīng)歷映射到其上。」

接下來(lái)這些映射構(gòu)建起記憶的框架，為我們永不止歇地流淌著的過(guò)去經(jīng)驗(yàn)提供一個(gè)組織系統(tǒng)。「海馬體就是記憶在時(shí)間和空間中了不起的組合者， 」Eichenbauma說(shuō)，「它提供一個(gè)時(shí)空框架，其他的事件都在這個(gè)框架下發(fā)生。」

為了研究海馬體如何監(jiān)測(cè)時(shí)間，科學(xué)家們讓大鼠在滾輪或小跑步機(jī)上跑動(dòng)。 這種裝置能夠讓大鼠的位置和行為保持恒定，使研究者得以專(zhuān)注于跟時(shí)間相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)。（大鼠總是煩躁，無(wú)法靜止不動(dòng)，因此跑動(dòng)有助于排除它們平時(shí)焦躁不安的行為的干擾。）當(dāng)不同細(xì)胞發(fā)放動(dòng)作電位時(shí)，深深植入在腦中的電極會(huì)記錄到它們。

在Eichenbaum的實(shí)驗(yàn)中，大鼠在跑步機(jī)上跑動(dòng)一定長(zhǎng)的時(shí)間，譬如說(shuō)15秒，隨后獲得獎(jiǎng)勵(lì)。在一次次重復(fù)的過(guò)程中，它的大腦學(xué)習(xí)追蹤記錄這個(gè)15秒的時(shí)間間隔。一些神經(jīng)元在第一秒發(fā)放，另一些在第二秒，以此類(lèi)推，直到15秒結(jié)束。「每個(gè)細(xì)胞會(huì)在跑動(dòng)時(shí)間中的不同時(shí)刻發(fā)放，直到它們填滿整個(gè)時(shí)間間隔，」Eichenbaum說(shuō)道。這種編碼相當(dāng)精確，研究者們能夠通過(guò)僅僅觀察哪些細(xì)胞是活躍的來(lái)預(yù)測(cè)動(dòng)物在跑臺(tái)上跑了多久。Eichenbaum的團(tuán)隊(duì)也在不同的跑步機(jī)速度下重復(fù)了這些實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)這些細(xì)胞并不是在簡(jiǎn)單地標(biāo)記跑動(dòng)的距離。（一些細(xì)胞的確也追蹤距離，但有一些似乎完全只跟時(shí)間有關(guān)。）

這些細(xì)胞的行為酷似秒表—每次你開(kāi)始計(jì)時(shí)，同樣神經(jīng)活動(dòng)模式就出現(xiàn)。

這些被叫做「時(shí)間細(xì)胞（time cells）」的神經(jīng)元顯然能夠標(biāo)記時(shí)間，然而它們是如何做到這一點(diǎn)的尚不清楚。這些細(xì)胞的行為酷似秒表——每當(dāng)你開(kāi)始計(jì)時(shí)，同樣的神經(jīng)活動(dòng)模式就會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)研究者們改變實(shí)驗(yàn)條件，譬如說(shuō)把跑動(dòng)的持續(xù)時(shí)間從15秒增加到30秒時(shí)，海馬體中的細(xì)胞就會(huì)創(chuàng)造一個(gè)新的發(fā)放模式填滿這個(gè)新的時(shí)間區(qū)間。這就設(shè)置秒表來(lái)適應(yīng)各種不同的時(shí)間尺度。

此外，時(shí)間細(xì)胞的活動(dòng)依賴(lài)于情景。當(dāng)動(dòng)物面臨時(shí)間起重要作用的情況時(shí)，這些細(xì)胞才標(biāo)記時(shí)間。當(dāng)其他變量起作用時(shí)，這些細(xì)胞的表現(xiàn)就會(huì)不同。比如說(shuō)，我們讓老鼠去探索一個(gè)新環(huán)境，這些時(shí)間細(xì)胞就會(huì)映射到空間上去（而非時(shí)間）；單個(gè)特定的時(shí)間細(xì)胞會(huì)被動(dòng)物所處的特定位置激活，而不是在特定的時(shí)間激活。

所以，Eichenbaum的工作與神經(jīng)科學(xué)15年來(lái)研究趨勢(shì)契合，顯示出海馬比科學(xué)家預(yù)期的更加多能。傳統(tǒng)研究認(rèn)為它可以繪制方位圖（40年前發(fā)現(xiàn)了位置編碼細(xì)胞），但越來(lái)越多的證據(jù)表明，它也可以編碼其他類(lèi)型的信息。最新的研究圖景表明，位置細(xì)胞不僅能映射空間，還對(duì)應(yīng)其它相關(guān)的變量。包括時(shí)間，還有其它可能。比如根據(jù)Frank的說(shuō)法，「品酒師（的海馬）或許有酒的味道和氣味的編碼空間。」

但許多科學(xué)家仍把海馬大體上視作空間結(jié)構(gòu)。按照他們的觀點(diǎn)，其神經(jīng)環(huán)路經(jīng)過(guò)演化適合追蹤記錄位置，其它信息都只是記錄空間位置的基礎(chǔ)上。加州大學(xué)爾灣分校的神經(jīng)科學(xué)家Bruce McNaughton說(shuō)：「海馬體所提供的編碼，在本質(zhì)上是空間性質(zhì)的。」

雖然Eichenbaum的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了這一觀點(diǎn)，他們并不回避。「我們能明確的是，位置細(xì)胞可以代表空間之外的信息，」約翰霍普金斯大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家David Foster說(shuō)。「但不那么清楚的是，他們是否可以編碼單純的時(shí)間流逝。」

在計(jì)時(shí)的跑步機(jī)實(shí)驗(yàn)中，大鼠似乎在做計(jì)數(shù)之類(lèi)的事情。但這些細(xì)胞是否標(biāo)記了時(shí)間本身的流逝，還是對(duì)僅僅看起來(lái)像時(shí)間的什么東西做出反應(yīng)？「我們不知道什么原理驅(qū)使細(xì)胞在特定的時(shí)刻被激活，但我不認(rèn)為是由于時(shí)間，」Eva Pastalkova說(shuō)，她是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所Janelia研究園區(qū)的神經(jīng)科學(xué)家（弗吉尼亞州）。「因?yàn)檫@不夠精確，它們不像是滴答作響的時(shí)鐘。」

「大腦中有沒(méi)有神經(jīng)元專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)記錄時(shí)間？」

Gy?rgy Buzsáki是紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家，他的實(shí)驗(yàn)室做了不少開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，探索海馬體如何追蹤記錄時(shí)間。他提出，這些細(xì)胞不是在檢測(cè)時(shí)間，可能只是在做其它的事，比如回憶一條穿過(guò)迷宮的路，或者計(jì)劃下一步行動(dòng)。回憶和打算未來(lái)都是在時(shí)間維度上進(jìn)行的，所以時(shí)間細(xì)胞可能只是在反映這種精神活動(dòng)。

「我認(rèn)為這是頭等問(wèn)題：大腦中有沒(méi)有神經(jīng)元專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)記錄時(shí)間，不干別的？」Gy?rgy Buzsáki說(shuō)，「還是說(shuō)，所有的神經(jīng)元的運(yùn)作都能按照序列發(fā)生，在此實(shí)驗(yàn)中這些功能可以被理解成時(shí)間？」

- 附論文摘要 -

在跑動(dòng)過(guò)程中，網(wǎng)格細(xì)胞整合逝去的時(shí)間和跑過(guò)的距離

論文作者：Kraus BJ, Brandon MP, Robinson RJ 2nd, Connerney MA, Hasselmo ME, Eichenbaum H.

摘要：網(wǎng)格細(xì)胞的空間尺度可以由自身產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信息提供，或者是來(lái)自從外部環(huán)境的感覺(jué)信息。為了確定網(wǎng)格細(xì)胞的活動(dòng)是否與外界信息無(wú)關(guān)的反映了跑過(guò)的距離或著逝去的時(shí)間，我們記錄了跑步機(jī)上跑動(dòng)的大鼠腦中網(wǎng)格細(xì)胞的活動(dòng)。此時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞的活動(dòng)受到位置影響應(yīng)該很微弱，但同一組電極上記錄到的大多數(shù)網(wǎng)格細(xì)胞和其它神經(jīng)元大批強(qiáng)烈地反映了距離和時(shí)間的組合，也有一些僅反應(yīng)距離或時(shí)間。比起非網(wǎng)格細(xì)胞，網(wǎng)格細(xì)胞受時(shí)間和距離的調(diào)諧更為強(qiáng)烈。在跑步機(jī)上運(yùn)行時(shí)，許多網(wǎng)格細(xì)胞表現(xiàn)出多個(gè)放電域，同時(shí)也觀察到其周期性的激活，提示存在一種共同的信息處理模式。這些觀察結(jié)果表明，在沒(méi)有外部動(dòng)態(tài)線索的情況下，網(wǎng)格細(xì)胞整合自身產(chǎn)生的距離和時(shí)間信息以編碼表征經(jīng)驗(yàn)。

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