如果让你复述一下你今天早上做了些什么,你可能会叙说出这样的场景:起床,刷牙,洗脸,穿好衣服,吃了早餐,或许还遛了遛狗。你很容易就发现,在回忆和复述这段经历时,你清楚地记得每个情景发生的不同时间,比如你先刷牙再洗脸,在回忆和复述时也一定是先刷牙再洗脸。那你知道大脑是如何记住做这些事情的不同时间的吗?答案就在大脑记忆最重要的区域——海马体。
神秘的海马体
海马体通常被认为是空间位置记忆细胞的所在处。
当我们到达某个特定位置时,海马体中一些特定的神经元细胞即位置细胞,就会被激活,创建一个有关机体自身周围空间位置的脑内地图,激活的细胞就像标记,记住机体的具体位置。而海马体内的头部方向细胞能辨别头部的朝向,朝向不同方向时,不同的细胞兴奋。在海马体的一个叫内嗅皮层的区域中,另一组被称为网格细胞的神经元细胞会对你行进的距离作出反应。这些细胞的组合使我们知道自己位于空间何处、如何在复杂的环境中找到方向,以及从一个地方走到另一个地方需要多远。因此,海马体也可以说是大脑内部的“GPS”,是空间记忆的主要组成。
海马体是否只能记住空间位置?一次手术似乎让科学家们对海马体记忆功能有了其他的看法。
1953年9月1日,一位神经外科医生进行了一次冒险的手术:为了治疗癫痫患者,他切除了患者大脑中的海马体和周围组织。手术确实减弱了患者的发作频率和反应强度,但患者的记忆却出了很大的问题:他再也无法对记忆进行排序。无论是早上刚吃的早餐、最近的新闻头条,还是几分钟前刚刚认识的陌生人,他不像平常人一样能正确复述出所经历的情景的时间顺序。一些科学家为之振奋:“也许,海马体的某些细胞可能和时间记忆有着密切联系”。
时间细胞出现
为了找到海马体中有关时间记忆的细胞,一些科学家做了这样一个实验:将电极植入到老鼠的海马体中,记录神经元细胞放电行为。然后讓老鼠在小型跑步机上跑步,这样可以使老鼠的位置和行为保持不变,科学家就可以专注于与时间相关的神经信号。每当老鼠跑15秒,科学家就给予它食物上的奖励。
他们发现,在一遍又一遍地重复实验后,老鼠的大脑学会了追踪奖励和下次奖励之间的15秒间隔。神经元细胞形成了一种特殊的放电模式——一些神经元细胞在1秒时发出信号,一些神经元细胞在2秒时发出信号……直到15秒过去。由于这些神经元细胞在不同的时间点发出信号,通过分析这些信号,老鼠就可以知道时间过去了1秒、2 秒还是15秒。
当科学家们将15秒延长到30秒,神经元细胞发射信号的时间点就发生了变化,它们产生了一种新的放电模式来填满新的时间间隔,比如原来是以1秒为单位发射信号,现在是以2秒为单位。这就像给神经元细胞重新编程,让它们按照不同的时间刻度走一样。这项研究表明,我们可能也是依靠这种模式,意识到时间流逝了多少,就像司机们总是知道还有多长时间黄灯就变成绿灯一样,有时,他们甚至还能精准到零点几秒——這是因为神经元细胞编程为每0.1秒发射一次信号的放电模式。
而另一组科学家们发现,在300个海马体神经元细胞中,大约有100个神经元符合这种在不同时间点一个接一个地发射信号的模式。而且,当所处情景不同时,连续发射信号的神经元细胞群也不同,这预示着,海马体中有很多组对时间作出反应的细胞群,不同的细胞群让我们能记住不同情景发生的时间。
这些能够对时间作出反应的神经元细胞被形象地称为“时间细胞”,在海马体中大量存在。它们的具体作用究竟是什么?
大脑的神经时钟
时钟是人类设计发明出的用于测量时间的装置,我们会根据时钟显示的时间来协调我们的活动,比如是工作、学习还是休息。虽然大脑没有像时钟的分钟或小时的标准单位,但它进化出了多种生物钟来感知时间,比如昼夜节律生物钟,它让我们适应因地球自转造成的24小时的昼夜变化,也让我们能够测量24小时的时长。那如果是一些更短的时间呢?比如10秒?20秒?这时,时间细胞就派上用场了。
时间细胞的行为很像计时的秒表,秒表是按下按钮后开始计时,而时间细胞通过放电来计时。它们比秒表更灵活,秒表只能按照1秒的时间刻度走,时间细胞则能根据两件事情之间的时间间隔(就像老鼠实验中的两次奖励之间的15秒和30秒),遵循不同的时间刻度。
时间细胞能很好地记录事件之间的空白时间,并利用连续放电来编码时间流逝了多少,电信号就像时钟的“滴答”声一样,记录着时间过去的每一秒。可以说,时间细胞是大脑的神经时钟。
大脑是一个重要和极其复杂的器官,也是人类智慧的根本所在,所以破解大脑秘密一直是科学家们的梦想。时间细胞的出现让人们认识了大脑计时的运作方式,也再一次加深了对神秘大脑的理解,人类离破解大脑又迈进了一大步。这种新的运作方式可能会打造出一种新的人工智能,使人工智能也能灵活掌握时间,这样人工智能将能更好地为人类服务。