近日，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院丁鼐研究员与北京大学罗欢研究员课题组联合在《Nature Human Behaviour》杂志在线发表了题为“Two-dimensional neural geometry underpins hierarchical organization of sequence in human working memory”的工作。大脑如何在工作记忆中组织信息？针对这一问题，该研究设计了具有自然层级特性的字词序列，探究该序列在工作记忆（WM）中的神经几何表征模式，研究首次在人脑的工作记忆中发现了层级化折叠的全新神经机制及其对记忆行为的重要作用，为脑认知和类脑人工智能等领域提供了“结构化”的重要启发和全新思路。
人类的记忆系统并非简单的硬盘或缓存，而是一个具有不精确性和构建性的复杂系统。当我们的大脑在处理复杂信息时，就像一位精妙的“整理大师”，能够将碎片化的内容整理成有序的结构，这背后是WM系统在发挥作用。我们的WM会对外界信息进行重新组织，以更高效地利用有限的存储容量。例如，一串数字在记忆中会被分成多个组块，每个组块又可以包含更小的子组块。这种层级化的组织方式可以有效地压缩、存储和提取信息，从而提升记忆的泛化能力、容错性和组合性。这些研究表明，WM会将复杂序列重组为分层结构以突破容量限制，但其中的神经机制一直是未解之谜。
课题组为揭开这一神秘面纱，设计了具有自然层级特性的字词序列，让人类受试保持在工作记忆中，通过脑电图、脑磁图记录人脑活动，探究该序列在工作记忆中的神经几何表征模式。研究发现，该一维序列并不是以一维链条或一维组块的形式在工作记忆中存储，而是被重组织到一个二维几何空间上。该平面包含两个近乎正交的表征轴，分别对应整体位置（序列中的组块序号）和局部位置（组块中的元素序号）。简而言之，一维序列依照层级化组织被“折叠”存储在二维表征空间中。这种二维几何模式不仅在多种实验材料和多种实验任务的脑活动中一致出现，也反映在人类的行为，即记忆的错误模式分布上。进一步，神经活动中的层级模式强度和人类行为中的层级特性相互关联。
从更广泛的角度来看，层级化折叠是一种高效的信息组织方式，也被认为广泛存在于人类的各种认知过程中，包括语言、音乐、运动、决策和执行控制等。这些研究揭示了大脑在WM中组织信息的神秘机制，为脑认知机制研究及认知障碍疾病治疗方法开发奠定基础。课题组将继续深入探索二维神经几何结构在其他认知任务中的作用，以及它如何与大脑的其他区域相互协作，以实现更高级的脑认知功能，为解开大脑认知之谜贡献更多的智慧和力量。
北京大学博士后范莹为本文的第一作者，浙江大学丁鼐研究员与北京大学罗欢研究员为本文的共同通讯作者。本文作者还包括北京大学王牧之博士、方方教授等。研究获得国家科学和技术创新2030重大项目、国家自然科学基金委重点项目、创新研究群体项目、中国博士后科学基金项目资助。
图文 | 生仪学院
审核 | 许茜
