編譯｜Mumu Dylan

 

　　1956年，著名認知心理學家喬治‧米勒（George Miller）發表了該領域最常被引用的論文〈神奇的數字：7±2〉（The Magical Number Seven, Plus or Minus Two），他認為雖然大腦能夠以數萬億的神經連結儲存資訊，但人類在有意識下維持的短期記憶廣度卻十分有限，平均來說大概只有七個單位。

 

　　這些單位可以是一串阿拉伯數字、散落在房間的物品、清單中的單字，或者重疊的聲音。無論它們是什麼，總之只有七個單位可進到所謂的「工作記憶」，讓我們專注在某件事或其他認知過程。它們在工作記憶中維持的時間短暫且有限：當人類不再主動去思考它們，就會被儲存到別處或乾脆忘掉。

 

　　自米勒發表論文以來，許多神經科學家和心理學家不斷研究工作記憶，以及小得驚人的容量限制。科學家後來發現，這個限制可能少於七，反而更接近四或五個單位。他們還研究人類如何應付工作記憶容量小的問題：透過「意元集組」（chunking）記住。例如背電話號碼的數字時，將1和4記憶為一個14的組合；或者發展從長期記憶提取記憶的技巧。

 

　　但是，有個問題科學家始終未能找到答案：為什麼只要超過工作記憶的容量限制，訊息就會開始衰退？科學家發現任何超過容量限制的嘗試，皆會導致訊息退化：神經元變得「更稀薄」、大腦節律發生變化，記憶也會隨之崩潰。而這種情況似乎更常發生在被診斷出神經系統疾病（例如思覺失調症）的患者身上。

 

　　然而，導致記憶崩潰的機制直到現在還是未知數。

 

 

　　三月份發表在《大腦皮質》（Cerebral Cortex）的論文中，三位科學家發現大腦不同區域之間「回饋信號」的明顯減弱，是導致細胞凋亡的原因。這項研究不僅對記憶功能與障礙問題提出見解，也為大腦如何處理訊息的新興理論提供進一步的證據。

 

　　三位科學家分別為麻省理工學院皮考爾學習和記憶研究所（Picower Institute for Learning and Memory）的神經科學家厄爾‧米勒（Earl Miller）、該實驗室的研究人員德米崔斯‧皮納西斯（Dimitris Pinotsis），以及普林斯頓大學助理教授提摩西‧布施曼（Timothy Buschman）。他們想知道究竟是什麼原因，讓大腦將工作記憶的容量限制設定成這麼低。

 

　　他們已經知道三個大腦區域的網絡（前額葉皮質，額葉眼動區和頂內葉區）在工作記憶中非常活躍，但是他們還沒有觀察過記得或不記得時的神經活動變化，特別是工作記憶超出容量限制的時候。

 

　　因此，他們使用米勒實驗室幾年前進行的工作記憶實驗。在這項實驗中，科學家向猴子展示一系列畫面：首先是一組彩色方塊，接著是空白畫面，然後再次呈現最初的彩色方塊，但偷偷改變其中一格的顏色，而猴子必須找出畫面之間的差異。最重要的是：方塊數量有時會低於工作記憶的容量限制，而有時則高於限制。放置在猴子腦內深處的電極，記錄下各個神經元完成每項任務所產生的腦波的時間與頻率。

 

　　這些腦波其實是數百萬個神經元協調運作的韻律，它們同時變得活躍或靜止。當大腦區域在時間和頻率上都呈現出匹配的振動時，這種情況被稱為「同步」。米勒說：「這就像它們在合唱，哼唱的神經元正在彼此對話。」

 

　　在最近的研究中，米勒和同事重新挖掘從猴子身上蒐集到振動數據，希望找到三個大腦區域組成的記憶網絡運作的線索。他們根據過去的研究，建立更詳細的機制模型，其中包含網絡結構與行為的假設：例如特定神經元集群的位置和特性（例如興奮或抑制），以及某些振動的頻率。隨後研究人員對「不同大腦區域如何互相交談」的問題提出幾種彼此互斥的假設，這些差異包括交談的方向和強度。接著比對模型的計算結果與實驗數據，來確定哪種假設最有可能正確。

 

 

　　他們的模型證實，這三個大腦區域彷彿雜技表演者做出複雜的拋接動作。前額葉皮質似乎協助大腦構建出內部模型的世界，發送「由上而下」的回饋信號傳遞給低級別的大腦區域。與此同時，額葉眼動區和頂內葉區以「由下而上」的前饋信號形式，將原始感覺輸入傳遞至前額葉皮質較深的區域。透過由上而下的模型與由下而上的感官訊息之間的差異，大腦根據兩者判斷身體正在經歷什麼，並相應地調整其內部模型。

 

　　米勒和同事發現，當猴子需要記住的方塊數量超過工作記憶的限制時，從前額葉皮質至其他兩個區域的由上而下回饋信號就會崩潰，但前饋信號仍會維持正常持續傳輸。根據科學家的理論模型，隨著回饋信號減弱最終導致大腦區域之間失去同步性，失去前額葉皮質的預測信號後，工作記憶的網絡就會失去同步。

 

　　但為什麼由上而下的回饋信號，很容易因為記憶的數量增加受到影響呢？科學家的假設是：來自前額葉皮質的模型訊息實際上代表一組大腦對於「外部世界在感知什麼」的預測，在這項實驗中即為工作記憶所儲存的物品內容。

 

　　許多神經科學家認為，大腦在執行日常認知和指令活動時，大多依靠感覺訊息的「預測性編碼」。而米勒和同事推測，當工作記憶中儲存的數量過多時，大腦很難將這些東西的預測編寫到回饋信號。於是，隨著回饋信號崩潰，過載的工作記憶系統也隨之故障。

 

　　米勒的實驗室和其他科學家正致力找出答案，觀察腦波之間的相互作用是否在工作記憶模型中扮演更重要的角色，傳統理論模型大多只將重點放在個別神經元的發送行為。目前還在研究為何工作記憶的上限只能在四至五個單位之間，而不是其他的數字。米勒認為大腦就像雜技表演者，手裡一次只有一顆球，必須不斷拋接處理，而大腦也是這樣按部就班地交替處理工作記憶裡的所有東西，他說：「這意味著所有訊息都得編寫至一個腦波，當腦波的容量用滿時，也就達到工作記憶的極限。」

 

 

參考報導：Wired