一個(gè)多世紀(jì)以來，神經(jīng)科學(xué)家們一直在尋找記憶的物理痕跡——那種被稱為“記憶痕跡（engram）”的神秘神經(jīng)模式，人們認(rèn)為它是大腦中編碼經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)。如今，研究者們可能發(fā)現(xiàn)了更令人著迷的事：一種數(shù)學(xué)上的原因，或許能解釋為什么人類的感知與記憶似乎被“調(diào)諧”在某個(gè)特定的極限上。

在一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Report）的新研究中，來自倫敦國(guó)王學(xué)院、拉夫堡大學(xué)與斯科爾科沃科技學(xué)院的研究人員提出了一個(gè)理論模型，顯示大腦形成與保持記憶的能力，可能取決于它所感知的“感官世界”的維度數(shù)。

結(jié)果表明，存在一個(gè)“最佳感官維度數(shù)”——大約是7——在這一點(diǎn)上，記憶存儲(chǔ)的效率達(dá)到峰值，而在更高維度時(shí)則開始下降。

研究者寫道：“模型一個(gè)有趣的結(jié)果是，它暗示在神經(jīng)系統(tǒng)或類神經(jīng)系統(tǒng)演化中，存在一個(gè)‘最佳感官數(shù)’。當(dāng)感官數(shù)量等于7時(shí)，概念空間的容量最大——也就是說，對(duì)外部世界的感知最為豐富，此時(shí)不同概念得以保存的數(shù)量也達(dá)到最大。”

這項(xiàng)研究的核心問題是：一個(gè)智能系統(tǒng)需要多少種感官，才能記住關(guān)于其環(huán)境的最多信息？

為探討這一問題，研究者建立了他們所謂的“記憶痕跡動(dòng)力學(xué)模型”。這些是數(shù)學(xué)表示，用來展示記憶如何在一個(gè)“概念空間”中形成、變化與消退——這個(gè)空間可被理解為一個(gè)多維的經(jīng)驗(yàn)地圖。在該模型中，每個(gè)記憶痕跡幾乎就像一個(gè)“活的”對(duì)象，會(huì)根據(jù)受到刺激（如視覺、聽覺、觸覺等）的頻率而擴(kuò)張、收縮或融合。

研究者寫道：“如果每種特征對(duì)應(yīng)一種感官，那么這個(gè)臨界維度就意味著一個(gè)系統(tǒng)若想保持最多不同概念，其最佳感官數(shù)量正是這一維度?！?/p>

換言之，如果每個(gè)感官代表感知中的一個(gè)維度，那么似乎存在一個(gè)自然的極限——七維——超過這一點(diǎn)后，大腦區(qū)分不同概念的能力就會(huì)下降。

這項(xiàng)研究基于德國(guó)生物學(xué)家理查德·塞蒙（Richard Semon）在1904年提出的“記憶痕跡”概念。一個(gè)多世紀(jì)以來，神經(jīng)科學(xué)家們通過腦成像與光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，試圖在大腦中找到這些神經(jīng)性的“記憶蹤跡”，并識(shí)別出在回憶時(shí)重新激活的特定神經(jīng)元群。然而，盡管這些研究揭示了記憶可能存在的位置，卻無法解釋記憶如何隨著時(shí)間演變、相互競(jìng)爭(zhēng)。

這項(xiàng)新研究通過數(shù)學(xué)彌補(bǔ)了這一空白。研究者利用蒙特卡洛模擬與解析解，建模了在持續(xù)刺激下記憶痕跡的動(dòng)態(tài)行為。

在模擬中，當(dāng)多種感官印象聚集時(shí)，記憶就會(huì)形成，并在重復(fù)刺激下變得更強(qiáng)；若缺乏刺激，它們會(huì)逐漸擴(kuò)散、模糊——就像隱喻性的“遺忘”。

這種記憶與遺忘的拉鋸最終形成一種平衡。然而，當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)在不同維度的概念空間中模擬記憶痕跡時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的結(jié)果。

隨著維度增加，獨(dú)特記憶的數(shù)量也隨之上升——直到某一點(diǎn)。超過第七維后，記憶容量反而開始下降，因?yàn)椴煌洃浐圹E之間的重疊與干擾使系統(tǒng)效率降低。

斯科爾科沃人工智能研究所教授、論文合著者尼古拉·布里連托夫（Nikolai Brilliantov）在新聞稿中指出：“當(dāng)我們考慮給定維度下的概念空間的最大容量時(shí)，我們意外地發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)中，記憶中儲(chǔ)存的不同記憶痕跡數(shù)量在七維時(shí)達(dá)到最大。因此，我們稱之為‘七感假說’。”

這一“臨界維度”不僅揭示了記憶機(jī)制，也可能解釋了生物感官系統(tǒng)為何以現(xiàn)在的方式演化。

傳統(tǒng)上，人類被認(rèn)為有五種感官——視覺、聽覺、嗅覺、味覺與觸覺——但神經(jīng)科學(xué)如今還認(rèn)可幾種額外感官，如本體感受（proprioception，即身體位置感）與平衡感（equilibrioception）。

認(rèn)知在七個(gè)輸入左右達(dá)到峰值的觀點(diǎn)并非新鮮。心理學(xué)家喬治·A·米勒（George A. Miller）在1956年提出，人類平均能在工作記憶中保持大約“七個(gè)±二”信息單元。這一新模型為這一長(zhǎng)期觀察到的認(rèn)知極限提供了潛在的物理與數(shù)學(xué)依據(jù)。

研究者指出，敏感性與精確性之間的平衡——即對(duì)新經(jīng)驗(yàn)的開放與保持清晰記憶之間的權(quán)衡——可能反映出一種普遍原理。高度敏感的系統(tǒng)傾向于形成模糊、重疊的記憶；而過于選擇性的系統(tǒng)則可能錯(cuò)失新經(jīng)驗(yàn)。

研究者寫道：“感受性越高，所學(xué)概念越不清晰。”他們將這種張力類比為機(jī)器學(xué)習(xí)中的“偏差-方差權(quán)衡（bias-variance trade-off）”，系統(tǒng)必須在泛化能力與過擬合之間取得平衡。

從生物學(xué)角度看，這一發(fā)現(xiàn)暗示，演化可能已將人類的感官能力“調(diào)諧”在一個(gè)最佳點(diǎn)——在這里，感知、學(xué)習(xí)與記憶的效率都達(dá)到最大。增加更多感官或感官維度并不一定能提升認(rèn)知，反而可能讓大腦的概念空間過載，導(dǎo)致記憶間的干擾。

這一“記憶痕跡動(dòng)力學(xué)框架”也可能啟發(fā)人工智能與類神經(jīng)計(jì)算領(lǐng)域——在這些領(lǐng)域中，模仿生物大腦的記憶系統(tǒng)同樣必須在學(xué)習(xí)的靈活性與信息的穩(wěn)定性之間取得平衡。擁有過多輸入通道的AI系統(tǒng)，可能會(huì)像超過最佳感官維度的大腦一樣，出現(xiàn)“信息飽和”與混亂。

研究者寫道：“除了揭示并證明概念空間中存在臨界維度外，所提出的記憶痕跡動(dòng)力學(xué)模型還可能為現(xiàn)有與未來的實(shí)證數(shù)據(jù)提供新的解釋。例如，可以通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)記憶痕跡的融合與分裂機(jī)制?！?/p>

他們建議，通過向受試者呈現(xiàn)一系列感官刺激并測(cè)量其記憶痕跡的區(qū)分度，科學(xué)家可以在現(xiàn)實(shí)中估計(jì)模型變量，如學(xué)習(xí)速率與遺忘速率。

最終，這項(xiàng)研究提供了一個(gè)誘人的視角：人類感知的結(jié)構(gòu)——我們看、聽、觸、平衡的方式——或許不僅僅是生物演化的產(chǎn)物，更是反映了支配記憶系統(tǒng)的深層數(shù)學(xué)規(guī)律。

布里連托夫博士補(bǔ)充道：“我們的結(jié)論當(dāng)然在應(yīng)用于人類感官時(shí)仍屬推測(cè)，但誰知道呢？未來的人類也許真的會(huì)演化出對(duì)輻射或磁場(chǎng)的感知能力?！?/p>

參考文獻(xiàn)

Otieno, W., Tyukin, I.Y. & Brilliantov, N. The critical dimension of memory engrams and an optimal number of senses. Sci Rep 15, 29972 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-11244-y

作者：Tim McMillan

譯者：EY

原文：https://thedebrief.org/forget-the-sixth-sense-new-study-says-the-human-brain-may-be-wired-for-seven-senses