本文來自微信公眾號： 神經(jīng)現(xiàn)實(shí) ，作者：NR

幾十年來，神經(jīng)科學(xué)研究一直默認(rèn)一個(gè)幾乎無需驗(yàn)證的核心前提：大腦的神經(jīng)編碼必須保持穩(wěn)定。按照這套經(jīng)典理論，特定功能由固定神經(jīng)元負(fù)責(zé)：有些神經(jīng)元專門識別特定形狀，有些負(fù)責(zé)標(biāo)記空間位置，還有一些專門調(diào)控動作控制。簡單來說，只要外部環(huán)境沒有變化，大腦里負(fù)責(zé)表征這些信息的神經(jīng)元活動，也應(yīng)該維持相對穩(wěn)定，只有這樣人類才能穩(wěn)定認(rèn)出同一張臉、記住同一個(gè)地點(diǎn)，始終擁有穩(wěn)定的行為和記憶。

但在過去十幾年間，一批新研究慢慢推翻了這個(gè)根深蒂固的傳統(tǒng)認(rèn)知。

2012年，哈佛大學(xué)的博士生勞拉·德里斯科爾（Laura Driscoll）開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，追蹤小鼠大腦的單個(gè)神經(jīng)元活動。她原本的計(jì)劃非常簡單：驗(yàn)證神經(jīng)編碼的穩(wěn)定基線，觀察在小鼠重復(fù)執(zhí)行同一任務(wù)時(shí)，哪些神經(jīng)元能一直保持相同的響應(yīng)模式。實(shí)驗(yàn)過程中，小鼠需要在虛擬迷宮里反復(fù)完成導(dǎo)航任務(wù)，研究團(tuán)隊(duì)則長期記錄小鼠頂葉皮層的神經(jīng)活動。按照傳統(tǒng)理論的推測，只要任務(wù)沒有變化，負(fù)責(zé)編碼迷宮位置的神經(jīng)元就該保持長期穩(wěn)定的響應(yīng)。

可實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全出人意料：第一天在迷宮某個(gè)固定位置強(qiáng)烈放電的神經(jīng)元，幾周之后幾乎不再對這個(gè)位置產(chǎn)生響應(yīng)；而原本對該位置毫無反應(yīng)的沉默神經(jīng)元，反而開始被這個(gè)位置激活。更關(guān)鍵的是，小鼠自身沒有出現(xiàn)任何明顯變化，它們依然走相同的路線、完成完全一樣的任務(wù)，行為表現(xiàn)全程保持穩(wěn)定，發(fā)生改變的只有神經(jīng)元本身的活動模式。

德里斯科爾后來回憶，當(dāng)時(shí)她第一反應(yīng)是實(shí)驗(yàn)出了大問題，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果“完全推翻了所有人的固有預(yù)期”。

2017年，這項(xiàng)研究正式發(fā)表，“表征漂移”（representational drift）這個(gè)概念開始走進(jìn)學(xué)界視野，得到廣泛關(guān)注。所謂“漂移”，指的其實(shí)就是神經(jīng)元對同一刺激、同一行為甚至同一環(huán)境的響應(yīng)模式，會隨著時(shí)間推移不斷發(fā)生變化。也就是說，大腦內(nèi)部的神經(jīng)編碼根本不像人們過去想的那樣固定不變，反而更像一個(gè)一直在動態(tài)重組的活系統(tǒng)。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)能引發(fā)學(xué)界震動，是因?yàn)樗苯觿訐u了現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)很多核心理論的根基。早在20世紀(jì)50年代，大衛(wèi)·休貝爾（David Hubel）和托斯滕·維澤爾（Torsten Wiesel）就發(fā)現(xiàn)，視覺皮層的神經(jīng)元會對特定方向、特定形狀產(chǎn)生選擇性響應(yīng)，這套研究奠定了“功能特異性神經(jīng)元”的經(jīng)典模型。之后，約翰·奧基夫（John O’Keefe）提出了“位置細(xì)胞”理論，認(rèn)為海馬體里的特定神經(jīng)元會在動物處于特定空間位置時(shí)激活。再后來，“記憶痕跡（engram）”理論進(jìn)一步提出，記憶是以穩(wěn)定神經(jīng)元集群的形式儲存在大腦中的，甚至已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明，人工刺激特定的海馬神經(jīng)元，就能重新喚起對應(yīng)的記憶，抑制這些神經(jīng)元就會影響記憶提取。

也正因此，“表征漂移”的發(fā)現(xiàn)直接拋出了一個(gè)觸及根本的問題：如果負(fù)責(zé)記憶和感知的神經(jīng)元一直在變化，那記憶本身到底存在哪里？

其實(shí)早在德里斯科爾的研究之前，就已經(jīng)有研究者隱約發(fā)現(xiàn)過類似的現(xiàn)象。21世紀(jì)初，挪威科維理系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)研究所的克利福德·肯特羅斯（Clifford Kentros）在長期記錄海馬體活動的時(shí)候，也發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元對空間位置的響應(yīng)會隨時(shí)間改變。他一開始也以為是實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的，但反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后，這種不穩(wěn)定性依然存在?？咸亓_斯后來總結(jié)說，大腦的運(yùn)作方式“和你想的完全不一樣”。

隨著神經(jīng)觀測技術(shù)的進(jìn)步，越來越多研究在不同腦區(qū)都發(fā)現(xiàn)了類似的漂移現(xiàn)象。除了海馬體之外，視覺皮層、嗅覺皮層等區(qū)域都觀測到了表征漂移。比如在負(fù)責(zé)處理氣味信息的梨狀皮層，研究者發(fā)現(xiàn)，僅僅過了一個(gè)月，小鼠的神經(jīng)活動模式就已經(jīng)和初始狀態(tài)完全對不上了。

這個(gè)結(jié)果尤其讓人困惑：因?yàn)閷W(xué)界原本認(rèn)為，嗅覺識別必須依賴高度穩(wěn)定的神經(jīng)編碼，如果神經(jīng)元一直變，大腦為什么還能穩(wěn)定分辨出“咖啡香”和“煙味”？

隨著證據(jù)越積越多，神經(jīng)學(xué)界也慢慢接受了一個(gè)結(jié)論：漂移可能不是實(shí)驗(yàn)誤差，而是大腦本身就具備的真實(shí)特性。但與此同時(shí)，新的問題也更尖銳：如果神經(jīng)元活動一直變，人類為什么還能保持穩(wěn)定的感知、行為，乃至穩(wěn)定的自我認(rèn)知？

目前，一個(gè)被廣泛討論的觀點(diǎn)認(rèn)為，真正保持穩(wěn)定的可能是整個(gè)神經(jīng)元集群構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)。德里斯科爾最早的研究其實(shí)已經(jīng)露出了線索：雖然單個(gè)神經(jīng)元會不斷改變自己的響應(yīng)模式，但更高層面的群體活動模式卻相對穩(wěn)定。這個(gè)觀點(diǎn)說明，大腦的信息處理可能比傳統(tǒng)模型認(rèn)為的更加“分布式”——記憶、認(rèn)知和感知，不是由某一批固定的神經(jīng)元單獨(dú)負(fù)責(zé)，而是由一個(gè)持續(xù)流動、不斷重組的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共同維持的。

那么，這種神經(jīng)漂移本身，會不會具備特定的生理功能？

目前一個(gè)重要的研究方向，和“時(shí)間編碼”有關(guān)。有部分科學(xué)家認(rèn)為，漂移可能幫助大腦給記憶打上時(shí)間戳。比如說，當(dāng)小鼠在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)經(jīng)歷兩件事的時(shí)候，大腦往往會調(diào)用相似的神經(jīng)元集群來編碼這兩段經(jīng)歷；但如果兩件事間隔時(shí)間很長，大腦就會調(diào)用完全不同的細(xì)胞集群。研究者推測，這種慢慢變化的神經(jīng)表征，或許能幫助大腦區(qū)分“剛剛發(fā)生”和“很久之前”的事件。

還有研究者提出，漂移可能和記憶的更新機(jī)制有關(guān)：如果永遠(yuǎn)是同一批神經(jīng)元負(fù)責(zé)同一功能，大腦很難整合新的生活經(jīng)驗(yàn)，反而會陷入僵化。而持續(xù)變化的神經(jīng)編碼，反倒給整個(gè)系統(tǒng)留出了吸收新信息的彈性空間。

不過目前學(xué)界對這個(gè)問題依然存在不小的爭議。有一些研究并沒有觀測到明顯的漂移現(xiàn)象。比如加州大學(xué)伯克利分校的邁克爾·亞爾采夫（Michael Yartsev）在對蝙蝠的研究中發(fā)現(xiàn)，海馬體神經(jīng)元在數(shù)周之內(nèi)依然能保持高度穩(wěn)定。蝙蝠本身擁有非常強(qiáng)大的空間記憶能力，亞爾采夫因此提出，很多觀測到的“漂移”，其實(shí)只是實(shí)驗(yàn)沒有嚴(yán)格控制行為變量導(dǎo)致的。哪怕動物看起來執(zhí)行的是同一個(gè)任務(wù)，速度、注意力、警覺程度甚至身體姿態(tài)的細(xì)微差異，都可能改變神經(jīng)活動的模式。還有研究運(yùn)動皮層的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，只要足夠嚴(yán)格地控制行為條件，神經(jīng)元活動和行為之間其實(shí)能保持長期穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。

所以現(xiàn)在，這個(gè)領(lǐng)域真正的核心爭論已經(jīng)不只是“漂移到底存不存在”，而是哪些變化是真正的神經(jīng)重組，哪些只是行為和大腦內(nèi)部狀態(tài)變化帶來的表面效應(yīng)？

不過不管爭議走向如何，表征漂移的研究已經(jīng)開始影響腦機(jī)接口和人工智能領(lǐng)域的發(fā)展了?，F(xiàn)在的人工智能系統(tǒng)有一個(gè)經(jīng)典難題——“災(zāi)難性遺忘”，也就是學(xué)習(xí)新任務(wù)之后很容易丟掉已經(jīng)掌握的舊能力。但生物大腦卻能在持續(xù)變化中保持長期穩(wěn)定的功能。因此研究者開始猜測，或許這種“穩(wěn)定中的漂移”，正是大腦避免遺忘的關(guān)鍵機(jī)制。而對于腦機(jī)接口來說，如果神經(jīng)元編碼確實(shí)會隨時(shí)間漂移，那么長期植入的設(shè)備就不能依賴固定的信號映射關(guān)系，必須具備持續(xù)自適應(yīng)的能力，否則設(shè)備用久了就會逐漸失效。

有研究者把“表征漂移”比作物理學(xué)里發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)：它讓人們意識到，大腦真正的運(yùn)行機(jī)制，可能比現(xiàn)有的理論復(fù)雜得多。從某種意義上來說，這項(xiàng)研究告訴我們，大腦里的穩(wěn)定，從來都不是靜止不變的穩(wěn)定。

編譯來源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01554-0