當我們懷念相遇時，專屬于彼此的神經元正在激活

想象一下，你正在第一次約會中，坐在酒吧里喝著馬提尼酒。你嚼下一顆橄欖，耐心地聽著對方講述他在銀行工作的事情。你的大腦正在處理這個場景，部分方式是通過將它分解為各種概念：酒吧、約會、馬提尼、橄欖、銀行。在你大腦深處，稱為概念細胞的神經元正被激活。

你可能有概念細胞專門對“馬提尼”激活，但不會對“橄欖”激活。或者有的細胞對“酒吧”激活——如果你之前去過那個酒吧，也許甚至對那個特定的酒吧激活。“銀行”這個概念同樣有自己的概念細胞，可能有成百萬個。在那個昏暗的酒吧里，你正在對你的約會對象形成概念細胞，不論你是否喜歡他。這些細胞會在某些讓你想起他的時候被激活。

不論概念以何種形式呈現——在現實、照片、文字、語言甚至電視節目或播客中，概念神經元都會對其激活。“這是一種更抽象的形式，和你實際看到的東西截然不同。”華盛頓大學的神經科學家伊麗莎白·布法羅（Elizabeth Buffalo）說道。

幾十年來，對于大腦能夠達到這種單個神經元級別的高度選擇性，神經科學家持嘲笑態度。他們質疑：在一生中接觸的無數概念中，每一個概念都對應一個或多個神經元，這怎么可能？波恩大學的神經生物學家弗洛里安·莫爾曼（Florian Mormann）指出，人們普遍認為這種想法“效率低下，毫無經濟性可言”。

然而，當研究人員在21世紀初發現了概念細胞時，這種嘲笑逐漸平息。在過去20年里，研究者們確認概念細胞不僅確實存在，而且它們對大腦如何抽象和存儲信息至關重要。最近的一些研究，包括一篇發表于《自然通訊》（Nature Communications）的論文，表明這些細胞可能是我們形成和提取記憶的核心。

馬德里康普頓斯大學的數學家瓦萊里·馬卡羅夫（Valeriy Makarov）指出，大腦通過復雜的神經回路動態處理外界信息。然而，也有可能單個神經元在大腦重構現實中扮演著關鍵角色。

“自然界在漫長的時間里，選擇了簡單但高效的方法，而不是依賴復雜的分布式計算。”他說道，“我們比自己想象的更簡單。”

諷刺成真：概念細胞的發現

“概念細胞”這一概念曾被神經科學家視為笑話——直到它被驗證。

1969年，神經科學家杰羅姆·勒特文（Jerome Lettvin）在麻省理工學院發表了一場著名的講座。他以戲謔的語氣，講述了一個虛構的神經外科醫生和其患者的故事。這個患者和母親的關系緊張，神經外科醫生為了幫助他，刪除了患者大腦中負責“母親”記憶的細胞，從而抹去了所有關于母親的記憶。對此感到滿意后，這位醫生繼續研究所謂的“祖母細胞”（grandmother cells）。

“自那以后，人們一直在討論‘祖母細胞’。”巴塞羅那海洋醫院研究所的神經科學家羅德里戈·奎安·奎羅加（Rodrigo Quian Quiroga）說道。理論上，祖母細胞指的是隱藏在大腦860億神經元中的某個單個神經元，它專門負責編碼你某位祖母的所有信息。如果刪除它，關于這個人的記憶就會從你的大腦中消失。

Rodrigo Quian Quiroga

來源：Rodrigo Quian Quiroga

沒有人真正嚴肅看待這一理論。每個人、每個物體都對應一個神經元？這不是很荒謬嗎？艾倫腦科學研究所的神經科學家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）說道，“這個想法完全被嗤之以鼻。”

然而，并不是所有人都抱有這種懷疑態度。20世紀90年代，加州大學洛杉磯分校的神經外科醫生伊扎克·弗里德（Itzhak Fried）和他的團隊開發了一種新型電極，能夠前所未有地觀察單個神經元的活動。作為科學家兼外科醫生，弗里德一直對記憶和人類精神活動充滿好奇。“大腦將外部世界轉化為某種內部表征，但這是一種模糊的、抽象的形式，缺乏現實世界的細節。”他說道。但這種表征到底是什么樣的呢？

弗里德和奎羅加與科赫合作研究。獲得癲癇患者的知情同意后，他們使用患者在醫療治療中植入的大腦電極，記錄并分析了中顳葉的神經活動。這一區域包括杏仁核內嗅皮層和海馬體，是情感和記憶的核心。

海馬體（hippocampus）、杏仁核（amygdala）和內嗅皮層（entorhinal cortex）

Mark Belan/Quanta Magazine

接著，研究人員在實驗中給患者展示物體圖片。他們發現，單個神經元似乎對某些廣義類別（如面孔、場景、房屋或動物）中的多幅圖片產生反應。這一結果表明，類似“祖母細胞”的神經元可能存在，但這些細胞的反應并不僅限于圖像本身。

細胞級概念

在2000年代初，奎羅加專注于優化他自己創建的算法，用于分析電極記錄的數據。這種算法讓他能夠識別比以往更多的神經元——甚至是那些很少被激活、因此難以檢測的神經元。

“我能看到其他人之前看不到的神經元……因為我用了從物理學和數學中學到的一些技巧。”他解釋道，“然后我就想：‘好吧，我想看看這些神經元究竟在做什么。’”

起初，他向癲癇患者展示了一些科學家的照片，例如理查德·費曼和阿爾伯特·愛因斯坦，試圖觀察神經元是否會對某些具體人物產生反應。然而，當患者無法辨認這些科學家時，他轉而展示更容易識別的地方和人物的照片，其中包括熱門情景喜劇《老友記》的明星詹妮弗·安妮斯頓。

詹妮弗·安妮斯頓

令奎羅加欣喜的是，他發現了一個神經元會對詹妮弗·安妮斯頓的照片作出反應。這引發了一個新的問題：“這個神經元是對詹妮弗·安妮斯頓這張具體的照片作出反應，還是對‘詹妮弗·安妮斯頓’這個概念作出反應？”他回憶道。

在隨后的實驗中，他向患者展示了安妮斯頓的七張不同照片，發現同一個神經元對所有照片都被激活，但對其他演員或物體的圖像卻沒有反應。接著，他開始識別其他知名人物或地點的相關神經元。他發現，有一個神經元只對哈莉·貝瑞（Halle Berry）作出反應，另一個只對比薩斜塔激活。

奎羅加還將“奧普拉·溫弗瑞”（Oprah Winfrey）的名字寫在紙上。他觀察到，當展示奧普拉的名字時，同樣的神經元也被激活，這些神經元之前對她的照片同樣有反應。這表明這些神經元并不是對照片的具體特征（如亮度或顏色）作出反應——它們是與上下文無關的，這些神經元實際上是對“奧普拉”這個概念作出反應。

奎羅加很清楚，他觀察到某個神經元被激活并不意味著每個概念僅由一個神經元負責。如果真是那樣，“找到這些神經元的概率幾乎為零，”他說道，“我曾開玩笑說，如果真是這樣，我應該放棄科學研究去買彩票，因為我簡直是世界上最幸運的人。”他相信，大腦中一定有許多神經元共同參與每個概念的編碼，但具體有多少神經元負責一個概念，他當時還不知道。

2005年，奎羅加的團隊在《自然》雜志上發表了他們的研究結果，這些細胞因此被俗稱為“詹妮弗·安妮斯頓細胞”。然而，由于長期以來“祖母細胞”概念的負面聯想，“讓人們接受這些細胞的可能性是最難的部分” ，科赫說道。在一篇相關的評論文章中，神經科學家查爾斯·康納（Charles Connor）寫道：“沒人愿意被指責相信‘祖母細胞’的存在。但……”

這些細胞真的是祖母細胞嗎？“我非常反對這種觀點。”奎羅加說道。確實，這些細胞表現出高度的選擇性，僅對詹妮弗·安妮斯頓激活，有時也可能對與她密切相關的人物激活，例如《老友記》的其他演員。然而，祖母細胞的諷刺概念假設每個概念都對應一個單一的神經元，而事實并非如此。

在發表研究結果一年后，奎羅加的團隊進行了數據計算。根據心理學家的估計，大腦可以區分大約兩萬個語義概念，他們推算出，每個概念可能由數百萬個神經元編碼。此外，每個概念細胞也可能同時編碼幾十個不同但往往相關的概念。

比如負責哈利·波特的細胞可能同時對羅恩·韋斯萊或赫敏·格蘭杰有反應，甚至對《指環王》中同樣是巫師的甘道夫也有反應。“同樣的職責，不同的故事。”莫爾曼（Mormann）說，“有時候，概念細胞的選擇性非常窄，只對某個特定的人作出反應，不會對其他人有反應。而有時候，它們的選擇性更寬泛，可能會對某個類別，比如‘巫師’，作出反應。”他補充道，同一個概念細胞可能也會因為“魔杖”或“穿長袍的白胡子老人”而被激活。

盡管概念細胞可以編碼任何事物，它們并不用于物體識別，因為它們反應速度較慢——大約需要300毫秒的延遲。“為什么會這么慢目前還不清楚。”洛杉磯西奈醫療中心的神經科學家烏利·魯蒂紹澤（Ueli Rutishauser）說道。然而，這些細胞似乎與一種更加內在的過程相關，它們形成了一種基于過去經驗和記憶的抽象表征。

每個人的大腦都有不同的概念和細胞去編碼它們。并不是每個人都看過《老友記》或者熟悉名人文化。相反，概念細胞會為我們在乎或與我們有歷史關聯的人或物體而發展。“這種表征依賴于個體過去的經驗和此前建立的關聯。”布法羅說道。

例如，你的大腦會將約會對象與你們見面的酒吧聯系起來，因此關于這個人的概念細胞可能也會因為這個酒吧被激活。不過，莫爾曼指出，只有當酒吧和這個人之間有非常緊密的聯系時，這種情況才會發生。如果這是一個你經常去的地方，這種神經元關聯就不太可能出現。

在發表研究結果后的幾年里，奎羅加一直試圖讓“概念細胞”這一術語被廣泛接受。然而，這一術語直到2012年才真正流行起來，當時他在《自然》上發表了一篇論文，題為《概念細胞：陳述性記憶功能的構建模塊》（Concept cells: the building blocks of declarative memory functions）。

這篇論文提出了他的假設：大腦利用概念細胞將來自外界的信息轉化為記憶。這個過程需要抽象化：從經驗中提取相關信息，剔除不必要的細節，并將其存儲起來。他認為，概念細胞作為人、物等具體概念的抽象表征，可以相互連接形成新的關聯（類似句子中的單詞），并作為記憶的構建模塊（如由句子組成的故事）。

“這是我們儲存記憶的骨架。”奎羅加說道。

記憶的構建

對于許多科學家來說，概念細胞通過相互連接交織形成記憶的理論在直觀上非常合理。由于記憶對我們生存至關重要，“這是對我們大腦為何能承擔如此高度專業化的語義概念細胞的最好解釋。”波恩大學的研究生西娜·麥凱（Sina Mackay）說道。

在最近發表在《自然通訊》上的一項研究中，研究團隊發現了有力的實驗證據，表明概念細胞可能將特定的物體與位置關聯在我們的長期記憶中。幾十年來，研究人員一直在研究儲存位置信息的大腦細胞。這項研究發現，概念細胞的激發模式與位置細胞的激發模式相對應，這與患者記住物體位置的能力直接相關。研究者指出，概念細胞是記憶的“什么”，而位置細胞則是“哪里”。

概念細胞也與工作記憶相關，這種記憶會在短時間內被激活，比如在購物或記電話號碼時。“這種記憶容量低，且要求非常高。”魯蒂紹澤說道，“稍微分心，它就會消失。”2017年，他的團隊發現，當你試圖在工作記憶中保持某些信息時，概念細胞會持續活躍數秒。2024年底，他的團隊在《神經元》（Neuron）期刊上發表的一項研究中指出，當患者的概念細胞處于活躍狀態時，工作記憶更有可能轉移到長期記憶中。

工作記憶還會在你想象一個場景或講述一個故事時被激活。“比如說，‘史瑞克和詹妮弗·安妮斯頓走進了一家酒吧……或許史瑞克點了一杯啤酒’。”荷蘭神經科學研究所的皮特·魯爾夫塞瑪（Pieter Roelfsema）說道。當你閱讀這句話時，“安妮斯頓”“史瑞克”“酒吧”這些概念會一個接一個地連接起來。這可能就是概念細胞在想象過程中發揮作用的表現。“你正在工作記憶中逐步構建某種內容，使其越來越豐富，甚至越來越真實。”他說道，“然后故事展開。”

魯爾夫塞瑪的團隊最近發現，概念細胞也會對代詞做出反應。研究顯示，用來代指“史瑞克”的代詞“他”激活了與“史瑞克”相同的概念細胞。“代詞隨后將注意力引向‘史瑞克’這一概念，他將成為下一句的主角。”魯爾夫塞瑪說道，“能夠測量到這一點，真是太美妙了。”

“瑞士軍刀”神經元

研究人員仍在探討概念神經元如何與大腦其他模型結合，共同表征外部世界。紐約大學的神經科學家尤里·布扎基（Gy?rgy Buzsáki）認為，概念神經元是“一個了不起的發現”。然而，大腦對概念的表征在不同的層次上都在發生——既有單個神經元的層面，也有神經元群體的層面。“哪一個更重要？”他問道。

發現答案的一個障礙是，概念細胞難以定位。目前，這些細胞只能在臨床環境中被研究，研究對象需要因醫療原因進行電極植入。這限制了研究范圍和研究方式。

此外，如何定義這些細胞也存在困難。加州大學圣地亞哥分校的神經科學家科里·米勒（Cory Miller）指出，部分問題在于“概念”本身的定義模糊不清。例如，我們是否有負責情緒之類體驗的概念細胞，尚不明確。

一種有趣的可能性是，海馬體中的多種細胞可以被重新映射，在不同的情境下完成不同的任務。“當你回顧歷史和整體研究圖景時，你會開始感到疑惑。”布扎基說道，“有時間細胞、位置細胞、邊界細胞、邊界向量細胞，還有概念細胞……然后你會想，‘不可能啊，海馬體的神經元數量是有限的。’”

布法羅認為，這些神經元可能根據需要扮演不同的角色、承擔不同的功能。當它需要是一個‘詹妮弗·安妮斯頓’的概念細胞時，它就能是。當它需要成為一個位置細胞，幫助你導航到酒吧里的馬提尼酒時，它也能是。“這些神經元就像 “瑞士軍刀”一樣。”米勒表示。

少數能夠接觸到患者和高分辨率神經元記錄技術的研究團隊，正興奮地繼續著他們的實驗。莫爾曼希望深入研究這些概念細胞究竟能達到多么抽象的程度。他的初步數據表明，一些概念細胞會對廣泛而模糊的概念（如“政府”和“稅收”）作出反應，而更多的細胞則會對具體的概念（如“詹妮弗·安妮斯頓”）作出反應。

與此同時，奎羅加正試圖證明概念細胞是否是人類所獨有的功能。這是一個備受爭議的觀點，可能帶來深遠的影響。如果沒有其他動物能夠在大腦中表征抽象概念，他認為，“我會說，這就是我們智慧的基礎。”

現在讀完這篇文章后，你的大腦可能已經形成了一組新的概念細胞，專門編碼“概念細胞”這一概念——一個我們竟然能夠用大腦理解并接受的想法。

作者：Yasemin Saplakoglu

譯者：EY

封面：Simon Prades

原文：https://www.quantamagazine.org/concept-cells-help-your-brain-abstract-information-and-build-memories-20250121/