약 10 년 전에 시러큐스 대학교에서 시작하여 일련의 방정식이 칠판에 긁혔습니다. 현재 보스턴 대학교의인지 신경 과학자 인 마크 하워드 (Marc Howard)와 당시 박사후 학생 중 한 명인 카르 티크 샨 카르 (Karthik Shankar)는 시간 처리의 수학적 모델을 알아 내고 싶었습니다. 하워드는“망막이 어떻게 모든 종류의 시각 정보를 제공하는 디스플레이 역할을하는지 생각해보십시오. “그때는 기억이 있습니다. 그리고 우리는 우리의 이론이 그 디스플레이가 어떻게 작동하는지 설명하기를 원합니다.”
그러나 눈 강도 나 밝기와 같은 시각적 정보의 테이블을 파장과 같은 특정 변수의 기능으로 표현하는 것은 매우 간단합니다. 뇌에는 시간 동안 그러한 수용체가 없습니다. 일본 오사카 대학교 (Osaka University)의인지 신경 과학자 인 마사 미치 하야시 (Masamichi Hayashi)는“색상 또는 모양의 인식은 훨씬 더 분명하다. "하지만 시간은 그런 애매한 재산입니다." 그것을 인코딩하기 위해 뇌는 덜 직접적인 일을해야합니다.
뉴런 수준에서 어떻게 보이는지를 찾아내는 것은 Howard와 Shankar의 목표가되었습니다. 하워드는 프로젝트에 들어가는 유일한 직감은“단순하고 아름다운 규칙이 적어야한다는 미학적 의미”라고 말했다.
그들은 이론적으로 뇌가 간접적으로 시간을 인코딩하는 방법을 설명하기 위해 방정식을 생각해 냈습니다. 그들의 계획에서, 감각 뉴런이 전개 사건에 반응하여 발사로서, 뇌는 그 활동의 시간적 구성 요소를 수학적 용어로 경험의 중간 표현 (Laplace 변환)에 매핑한다. 이러한 표현을 통해 뇌는 이벤트에 대한 정보를 시간의 함수가 아닌 인코딩 할 수있는 일부 변수의 함수로서 이벤트에 대한 정보를 보존 할 수 있습니다. 그런 다음 뇌는 중간 표현을 시간적 경험 (역) 변환을 위해 다른 활동으로 다시 매핑하여.
하워드와 샨 카르가 이론을 살리기 시작한 지 불과 몇 달 만에 다른 과학자들은“시간 세포”라고 불리는 다른 과학자들은“우리가 과거에 대한 명백한 기록을 가질 수있는만큼 가깝다”고 말했다. 이 세포들은 각각 일련의 시간에 특정 지점으로 조정되었으며, 자극 후 1 초, 5 초 후에는 약간의 발사로 경험 사이의 시간 간격을 연결했습니다. 과학자들은 세포의 활동을보고 어떤 세포가 발사되었는지에 따라 자극이 제시된시기를 결정할 수 있습니다. 이것은 연구원의 프레임 워크의 역 전파 변환 부분, 과거 시간의 기능의 근사입니다. 하워드가 말했다.
"그때 나는 뇌가 협력 할 것이라는 것을 알았다"고 덧붙였다.
그와 그의 동료들은 그들의 이론에 대한 경험적 지원에 의해 활기를 띠는 뇌의 매우 다른 유형의 기억을 통일하기 위해 사용하기를 희망하는 더 넓은 틀을 연구 해 왔으며, 그들의 방정식이 뉴런에 의해 구현되면 시간의 인코딩뿐만 아니라 다른 특성을 설명하는 데 사용될 수있다.
.그러나 그것은 큰 경우입니다. 2008 년에 시간 세포가 발견 된 이래, 연구원들은 상세한 수학의 절반만이 관련된 증거를 확인했습니다. 나머지 절반 (중간 시간의 중간 표현)은 전적으로 이론적으로 남아있었습니다.
지난 여름까지.
주문 및 타임 스탬프
Howard와 Shankar가 자신의 틀에 대한 아이디어를 던지기 시작하기 2 년 전인 2007 년 Albert Tsao (현재 Stanford University의 박사후 연구원)는 노르웨이의 Kavli 시스템 신경 과학 연구소에서 인턴쉽을하는 학부생이었습니다. 그는 여름을 May-Britt Moser의 실험실에서 보냈다. 최근에는 내측 entorhinal cortex라는 뇌 영역에서 그리드 세포 (공간 내비게이션을 담당하는 뉴런)를 발견 한 Edvard Moser를 보냈다. Tsao는 자매 구조, 측면 entorhinal cortex가 무엇을하고 있는지 궁금해했습니다. 두 지역 모두 해마에 큰 의견을 제공하여 특정 장소에서 특정 시간에 발생하는“에피소드”경험을 생성합니다. 내측 entorhinal cortex가 후자를 대표하는 책임이 있다면, Tsao는 아마도 측면 entorhinal cortex가 시간의 신호를 보냈을 것입니다.
.Tsao가 생각하고 싶었던 기억에 연계 된 시간의 종류는 심리학에 뿌리를두고 있습니다. 우리에게 시간은 일련의 사건이며 점차 변화하는 콘텐츠의 척도입니다. 그것은 우리가 오래 전부터 최근의 사건을 더 잘 기억하는 이유와 특정 기억이 떠오를 때 왜 같은시기에 일어난 사건을 기억하는 경향이 있습니다. 그러나 그것이 질서있는 시간적 역사에 어떻게 추가되었고 어떤 신경 메커니즘이 그것을 가능하게 했습니까?
TSAO는 처음에는 아무것도 찾지 못했습니다. 기술적으로는 모든 것이 시간적 품질을 가지고 있기 때문에 문제에 접근하는 방법을 고정시키는 것도 까다 롭습니다. 그는 쥐의 측면 entorhinal cortex에서 신경 활동을 검사하여 인클로저에서 음식을 먹었을 때 데이터가 보여준 것에 대한 머리 나 꼬리를 만들 수 없었습니다. 독특한 시간 신호가 나타나지 않은 것처럼 보였습니다.
TSAO는 작업을 표명하고 학교로 돌아 왔으며 몇 년 동안 데이터를 혼자 남겼습니다. 나중에, Moser Lab의 대학원생으로서 그는이를 다시 방문하기로 결정했으며, 이번에는 인구 수준에서 피질 뉴런에 대한 통계적 분석을 시도했습니다. 그때 그가 그것을 보았을 때 :그에게 시간처럼 보이는 발사 패턴.
그는 Mosers와 그들의 동료 들이이 연결을 더욱 테스트하기위한 실험을 설정했습니다. 일련의 시험에서, 쥐를 상자에 넣었고, 그곳에서 음식을 로밍하고 사료를 먹을 수있었습니다. 연구원들은 측면 entorhinal cortex 및 근처의 뇌 영역에서 신경 활동을 기록했습니다. 몇 분 후, 그들은 상자에서 쥐를 꺼내서 휴식을 취한 다음 다시 넣었습니다. 그들은 약 1 시간 반에 걸쳐 12 번, 벽의 색상 (검은 색 또는 흰색이 될 수 있음)을 번갈아 가며
.시간 관련 신경 행동처럼 보이는 것은 주로 측면 뇌 피질에서 발생했습니다. 그 뉴런의 발사 속도는 쥐가 상자에 들어갔을 때 갑자기 스파이크되었습니다. 초가 지나면 몇 분이 지나면 뉴런의 활성은 다양한 속도로 감소했습니다. 쥐가 상자를 다시 들어 올렸을 때 그 활동은 다음 시험의 시작 부분에서 다시 증가했습니다. 한편, 일부 세포에서는 각 시험 중에뿐만 아니라 전체 실험에서 활동이 감소했다. 다른 세포에서는 전체적으로 증가했습니다.
이러한 패턴의 조합에 근거하여, 연구원들과 아마도 쥐는 아마도 다른 시험을 분리 할 수 있으며 (신호를 상자의 특정 세션으로 다시 타임 스탬프 인 것처럼 추적하고) 순서대로 정리할 수 있습니다. 수백 개의 뉴런이 시험의 순서와 각각의 길이를 추적하기 위해 함께 작동하는 것처럼 보였습니다.
뉴욕의 Albany Medical College의 신경 과학자 인 Matthew Shapiro는“정보를 유지하기 위해 단순히 지연이 지연되는 것이 아니라 경험의 에피소드 구조를 구문 분석하는 활동 패턴을 얻습니다.
쥐들은 이러한“사건”(맥락에서 변화)을 사용하여 얼마나 많은 시간이 지났는지에 대한 감각을 얻는 것처럼 보였다. 연구원들은 경험이 별도의 에피소드로 명확하게 나뉘어지지 않았을 때 신호가 매우 다를 수 있다고 의심했습니다. 그래서 그들은 쥐가 일련의 시험에서, 때로는 한 방향과 때로는 다른 방향으로 그림이 많은 트랙을 돌아 다녔습니다. 이 반복적 인 과제 동안, 측면 entorhinal cortex의 시간 신호는 겹쳐졌으며, 이는 쥐가 하나의 시험을 다른 시험과 구별 할 수 없음을 나타냅니다. 그러나 뉴런은 단일 랩 내에서 시간의 흐름을 추적하는 것처럼 보였고, 한 순간부터 다음 순간으로 충분한 변화가 발생했습니다.
.Tsao와 그의 동료들은 뇌에서 주관적인 시간 뒤에 메커니즘을 괴롭히기 시작했기 때문에 흥분했기 때문에 흥분했습니다. Shapiro는“이것은 우리의 시간에 대한 인식이 어떻게 탄력적인지를 보여줍니다. “두 번째는 영원히 지속될 수 있습니다. 날은 사라질 수 있습니다. 이 코딩은 에피소드를 구문 분석하여 시간을 보는 방식에 대해 매우 깔끔한 설명을합니다. 우리는 순서대로 발생하는 일을 처리하고 있으며, 이러한 순서에서 발생하는 일은 시간이 얼마나되는지에 대한 주관적인 추정치를 결정할 수 있습니다.” 연구원들은 이제 어떻게 그런 일이 일어나는지 배우기를 원합니다.
하워드의 수학이 도움이 될 수 있습니다. 2017 년 컨퍼런스에서 발표 된 TSAO의 결과에 대해 들었을 때 Nature 지난 8 월, 그는 황홀했다. 신경 활동에서 TSAO가 관찰 한 다른 쇠퇴 비율은 그의 이론이 뇌의 중간 경험 표현에서 일어날 것이라고 정확히 예측했다. 하워드는“그것은 시간의 라플라스 변형처럼 보였다”고 말했다.
하워드는“그것은 일종의 이상했다. “우리는 Laplace Transform의 보드에 이러한 방정식을 올려 놓았으며 사람들이 시간 세포를 발견하는 동시에 역수를 역수했습니다. 그래서 우리는 지난 10 년 동안 역전을 보았지만 실제 변환을 보지 못했습니다. … 이제 우리는 그것을 얻었습니다. 나는 꽤 멍청했다.”
메릴랜드 국립 보건원 (National Institutes of Health)의 신경 외과 의사이자 연구원 인 Kareem Zaghloul은“흥미로웠다”고 말했다. (지난 달에 출판 된 작업에서 Zaghloul과 그의 팀은 인간의 시간 엽의 신경 국가의 변화가 메모리 작업에서 사람들의 성과에 직접 연결되는 방법을 보여주었습니다.)
“내 동료와 학생들과 내가 한 모든 일이 상상력이었다. 그것은 뇌 나 세계 어디에서나 존재하지 않은 일부 방정식에 관한 것이 었습니다.”라고 Howard는 덧붙였습니다. "다른 사람의 실험실의 데이터에서 그곳에서 그것을 보는 것은 좋은 날이었습니다."
과거와 미래의 타임 라인
하워드의 모델이 사실이라면, 우리가 과거의 타임 라인을 만들고 유지하는 방법을 알려줍니다. 그는 우리가 우리의 삶을 향해 갈 때 우리 뒤에 뻗어있는“트레일 혜성 꼬리”로 묘사 한 내용을 알려줍니다. 이 타임 라인은 해마의 에피소드 메모리뿐만 아니라 전두엽 피질의 작업 기억과 선조체의 조절 반응에 사용할 수 있습니다. 하워드는“이들은 같은 형태의 시간적 역사에서 작용하는 다른 작전으로 이해 될 수있다”고 말했다. 학교 첫날과 같은 이벤트를 기억할 수있는 신경 메커니즘은 전화 번호 나 자전거를 타는 방법과 같은 기술과 같은 사실을 기억할 수있는 것과 다르지만이 공통 기초에 의존 할 수 있습니다.
.Howard에 따르면 그 뇌 영역에서 시간 세포가 발견 된 것 같습니다. 하워드, 워싱턴 대학교의 엘리자베스 버팔로 (Elizabeth Buffalo)가 곧 출판 할 최근의 발견이 있었으며, 원숭이는 일련의 이미지를 보는 일련의 이미지를 보는 일련의 이미지가 쥐에서 관찰 한 entorhinal cortex에서 동일한 종류의 시간적 활동을 보여줍니다. 하워드는“정확히 당신이 기대할 수있는 것 :이미지가 발표 된 이후의 시간”이라고 말했다.
그는 레코드가 기억뿐만 아니라 인식 전체에 도움이된다고 의심합니다. 그는 같은 수학이 우리의 미래에 대한 우리의 감각을 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다. 그것은 관련된 기능을 번역하는 문제가됩니다. 그리고 그것은 우리가 앞으로의 사건 예측에 관여함에 따라 타임 키핑을 이해하는 데 도움이 될 것입니다 (과거 경험에서 얻은 지식을 기반으로하는 것)
.하워드는 또한 뇌가 시간을 나타내는 데 사용할 수있는 것과 동일한 방정식이 공간, 수치 (우리의 숫자 감각) 및 수집 된 증거에 근거한 의사 결정에도 적용될 수 있음을 보여주기 시작했습니다. 하워드는“저에게 매력적인 것은 생각을위한 신경 통화를 구축했다는 것입니다. "뇌의 상태를 쓸 수 있다면…
그와 그의 동료들은 이론을 다른 인식 영역으로 확장하기 위해 노력하고 있습니다. 어느 날, 그러한인지 모델은 오늘날의 딥 러닝 방법과는 다른 수학적 기초를 기반으로 한 새로운 종류의 인공 지능으로 이어질 수도 있습니다. 지난 달에 과학자들은 시각 장면의 변화를 측정하고 반응하는 데 기반한 새로운 신경망 모델을 구축했습니다. (그러나이 접근법은 그림의 감각 입력 부분에 중점을 두었습니다. 표면에서 일어나고있는 일, Tsao와 Howard가 연구하는 기억 관련 뇌 영역에서 깊이 있지 않았습니다.)
그러나 AI에 대한 적용이 가능하기 전에 과학자들은 뇌 자체가 어떻게이를 달성하고 있는지 확인해야합니다. TSAO는 측면 엔터리 피질 피질이 수행하는 일과 구체적으로 기억이 태그를 붙일 수 있도록하는 것을 포함하여 여전히 파악해야 할 것이 많다는 것을 인정합니다. 그러나 하워드의 이론은 연구자들이 답을 향한 새로운 길을 개척하는 데 도움이 될 수있는 실질적인 예측을 제공합니다.
물론, 뇌가 시간을 어떻게 나타내는 지에 대한 하워드의 모델이 유일한 아이디어는 아닙니다. 예를 들어 일부 연구자들은 시냅스로 연결된 뉴런의 사슬을 순차적으로 화재합니다. 또는 라플라스 변환이 아닌 다른 종류의 변환이 작용하고 있음이 밝혀 질 수 있습니다.
이러한 가능성은 하워드의 열정을 약화시키지 않습니다. "이것은 여전히 여전히 틀릴 수있다"고 말했다. "하지만 우리는 흥분하고 열심히 일하고 있습니다."
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