Science | “上下左右”，能倒着说出来吗？猕猴大脑揭示空间序列操作的神经密码

文摘 2024-10-08 22:29 浙江

在日常生活中，我们经常需要记住并灵活操作各种序列信息，比如规划路线或解决数学问题。这种能力被称为工作记忆，是人类认知的核心。然而，科学界对其神经机制知之甚少，特别是对于序列信息的存储和操作。

2024年10月3日，中国科学院神经科学研究所的研究团队在 Science 期刊发表了一篇题为《猕猴前额叶中空间序列工作记忆的心理编程》的研究论文。研究人员通过记录猕猴前额叶的神经活动，揭示了大脑如何在工作记忆中对空间序列进行编程和排序的神经机制。

研究者训练两只猕猴完成一项延迟序列排序任务。在每次试验中，猴子需要记住2-3个空间位置的序列，然后根据视觉提示（黄瓜图片表示正序，苹果图片表示倒序）决定是保持原序还是倒序报告。同时，研究者使用157通道微驱动电极阵列记录猴子前额叶区域的神经活动。

工作记忆中的序列表征

研究发现，序列中每个位置（秩）的空间信息被编码在不同的秩-工作记忆子空间中。如图2B所示，这些子空间在神经状态空间中呈现出近乎正交的排列。研究者通过计算方差占比（VAF）来量化不同子空间之间的几何关系。图2C显示，秩1和秩2子空间之间的VAF比值非常低（约0.06），证实了它们的正交性。此外，每个秩子空间内部都呈现出类似六边形环状结构，反映了刺激的空间布局。这种表征方式使得大脑能够灵活地处理和操作序列信息。

心理排序的神经动态

研究者进一步分析了两个延迟期内神经活动的动态变化。如图2I所示，在正序试验中，两个秩子空间的解码准确率在两个延迟期内保持稳定，超过75%的准确率。而在倒序试验中，规则提示出现后，两个秩子空间的信息迅速交换。具体而言，秩1和秩2子空间的解码准确率在规则提示后约259±7毫秒发生显著变化，反映了信息交换过程。这一发现揭示了大脑如何根据规则动态调整工作记忆中的信息。

临时子空间的发现与功能

研究者还发现了两个额外的临时子空间，参与了序列排序过程。如图3C所示，这两个临时子空间（temp-1和temp-2）仅在倒序试验中出现，其解码准确率在规则提示后显著高于正序试验。研究发现排序过程分两步完成：第一步，信息从原始秩子空间转移到相应的临时子空间，发生在规则提示后176±8毫秒；第二步，信息从临时子空间转移到目标秩子空间，发生在259±7毫秒后。这种"两临时-两步骤"模型解释了大脑如何实现复杂的心理排序操作。

规则提示的神经表征与控制功能

研究者还发现了一个独立的规则提示子空间，用于表征任务规则。如图5B所示，正序和倒序试验在规则提示子空间中的神经轨迹在规则提示出现后约130±18毫秒开始分离，显著早于排序过程的开始（176±8毫秒）。这表明规则信息的编码先于实际的排序操作。更有趣的是，在错误试验中，研究者观察到规则信号的提前出现（F-B错误）或延迟出现（B-F错误）与排序过程的时间密切相关。例如，在F-B错误试验中，规则信号提前出现导致排序过程提前开始（191±35毫秒 vs 259±7毫秒，p<0.0001）。这一发现强调了规则表征对心理排序过程的因果控制作用。

单神经元基础

研究还探讨了临时和秩工作记忆子空间的单神经元基础。如图4B所示，约29%的神经元贡献于秩1子空间，31%贡献于秩2子空间，38%贡献于temp-1子空间，36%贡献于temp-2子空间。这些子空间在前额叶和运动前区都有广泛分布。通过计算神经元-子空间对齐（NSA）指数，研究者发现工作记忆和临时子空间既招募了特异性神经元，也招募了重叠神经元。这种分布式表征为不同子空间之间的信息交互提供了神经基础。

总结

这项研究揭示了猕猴前额叶中序列工作记忆的神经编码机制。研究发现，空间序列信息被存储在不同的秩-工作记忆子空间中，而心理排序过程则通过临时子空间的参与实现信息的重组。同时，独立的规则提示子空间控制着排序过程的执行。这些发现为理解大脑如何进行复杂的认知操作提供了新的见解，也为未来研究人类大脑中的符号系统和心理编程提供了重要基础。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6091

撰文｜Coral

责编｜Asher

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