按：注意和工作记忆是否共享神经机制是近年来讨论比较热烈的话题，本文介绍了MIT的Robert Desimone组近期发表在Neuron上的论文，这个研究采用了本领域较为少见的光遗传调控的方法在不同实验阶段因果性地操纵了额叶关键脑区的神经活动，并发现了注意和工作记忆在神经机制上的分离。
视觉注意和工作记忆（WM）是在认知神经领域被研究最广泛的两个功能，人类fMRI和EEG研究经常报道这两个功能有着重叠的神经机制，比如在外侧前额叶和顶叶皮层。因此，很多研究者认为WM和注意在神经元层面是共享神经基础的。但是，由于fMRI和EEG的信号记录的是百万级的神经元集群信号而非单个神经元信号，在单个神经元层面，我们对WM和注意的机制是否涉及相同还是不同的神经元参与还知之甚少。
另一种观点认为，注意和WM共享神经机制是表现在它们具有相互依存的功能。比如，被注意的物体能够被更好地编码到WM中，反过来对于视觉特征的注意也需要涉及到WM的表征维持功能。在神经层面，外侧前额叶（LPFC）的信号一直被认为是自上而下特征注意的主要来源，尤其是后侧LPFC（LPFC-p）的信号能够被视觉特征注意所调控。同时，LPFC-p也被认为编码了保存在WM中的视觉特征信息。但是，LPFC-p是否能同时编码WM和注意信息还缺乏因果性的探究。
为了解决上面的问题，本研究首先探索了WM和注意信号是否存在于LFPC-p和其他脑区的相同神经元还是不同神经元中。为此，研究者训练了猴子来进行一个关于运动方向（motion direction）的WM引导的空间全局特征注意任务（WM-guided spatially global feature attention task），同时记录了颞中皮层（MT）、早期视觉皮层、内侧颞上皮层（MST）、视觉联合区、外侧顶内区（LIP）、和LPFC-p的神经元放电信号。第二，为了检验LPFC-p是否同时在注意和WM中起作用，研究者使用了光遗传技术，分别在涉及WM维持的阶段和涉及持续性注意的阶段抑制了双侧LPFC-p的活动，从而来验证对行为表现和各脑区WM于注意信号的影响。
实验范式如图1A所示，在Cue阶段，屏幕上所有的点朝同一个方向运动，之后是一个涉及WM维持的delay阶段，然后在Test阶段，屏幕上的点会朝两个方向运动，一个是之前Cue过的方向，另一个是相反的方向，猴子需要选择性地注意Cue过的运动方向而忽略另一个，然后探测到一小块以更高速度运动的点并进行反应（松开手持杆）。由于这一小块运动点是随机分配在屏幕的不同位置，这种设计最小化了空间注意对特征注意的影响。
图1 (A) 实验范式:，红线代表光遗传的阶段（在Delay阶段或Test阶段）（B-D）记录电极的位置和光遗传的位置
下面总结一下实验的关键结果。研究者首先描述了WM和特征注意在视觉加工流不同区域的各类编码强度（图2A-C）。根据对不同阶段的运动特征编码，作者将这些编码分成了感觉编码（在cue阶段的编码）、WM编码（delay阶段的编码）和注意调节编码（test阶段的编码）。结果发现各个脑区基本都可以加工这些编码，尽管脑区间存在差异。比如感觉编码在早期视觉区和MT较高，WM和注意相关编码在LIP最强。
对于第一个问题，即WM和注意是否共享相同的神经元机制，研究者基于对WM和注意的可区分性（图2E），将神经元分成了‘WM & Attention’、'WM-only'、'Attention-only'三类（图2A）。结果发现，大多数神经元是'WM-only'或'Attention-only'，只有少部分是同时对WM和Attention反应的（图2D-F）。其中‘WM & Attention’神经元在LIP区域的比例较高（图2F）。这一结果表明，除了LIP区域，其他三个脑区（LPFC-p，MST，MT）的WM信号和注意信号绝大多数是出现在不同的神经元中的，即在神经元层面上是可分离的。
图2 WM编码以及特征注意对神经元放电的调节。（A）三类神经元在整个trial周期的放电率示意图；（B-C）各个脑区显著进行感觉编码、WM编码、注意编码的神经元比例和编码强度；(D) 四个脑区对不同信息选择性编码的神经元比例示意图；（E,G）四个脑区的WM和注意神经元选择性强度的相关（只有LIP存在较高相关）；(F) 三类神经元在四个脑区的相对比例。
针对下一个问题，即LPFC-p在WM和注意编码中是否都起到重要作用，研究者采用光遗传手段在不同任务阶段抑制了LPFC-p神经元的活动。结果发现，在持续性注意阶段（test阶段）对LPFC-p进行抑制可以显著损害任务表现（图3A-D），但是在WM维持阶段（delay阶段）对LPFC-p神经元进行抑制并不影响任务表现（图3E-F）。
图3 （A-D）Tset阶段光遗传调控影响行为结果；（E-F）Delay阶段的光遗传调控不影响行为结果
进而，研究者探索了LPFC-p的光遗传调控对其他脑区神经元活动的影响。结果发现（图4A-H），无论是在Test阶段（注意阶段）还是在Delay阶段，光遗传调控都不仅降低了LPFC-p的神经元放电率，也降低了其他脑区（MT, MST, LIP）的放电率。这一方面证明了Delay阶段光遗传对行为结果没影响并不是因为光遗传没起作用，另一方面也暗示了LPFC-c的活动变化可以调控视觉和顶叶神经元的活动。重要的是，在Delay阶段进行光遗传的效应并不能延续到之后的test阶段，这也许是为什么Delay阶段的光遗传并不影响行为表现。
图4 （A-D）Test阶段和Delay阶段对LPFC-p进行光遗传对其他脑区活动的影响。
接着，研究者还探索了LPFC-p的光遗传调控对LPFC-p和其他脑区注意效应（即对方向的选择性）的影响。结果发现，Test阶段（注意阶段）光遗传显著降低了LPFC-p和MST注意选择性的强度（图5）；但是Delay阶段（WM）阶段的光遗传只影响了MST注意选择性的强度（图6），且这种影响并不持续到之后的Test阶段，因此也不会影响之后的行为表现。
图5 在Test阶段对LPFC-p进行光遗传调控对其他脑区注意效应的影响。结果发现会影响Test阶段的LPFC-p和MST的注意选择性。
图6 在Delay阶段对LPFC-p进行光遗传调控对其他脑区注意效应的影响。结果发现只会影响MST在Delay阶段的选择性。
总结而言，本研究使用了非常有力的光遗传调控技术，回答了工作记忆和注意的关系问题。结果支持了同一脑区的不同神经元集群编码了注意和工作记忆。因此，在神经元层面，注意和工作记忆似乎是可以分离的。此外，当在注意阶段抑制LPFC-p活动时，会对大范围脑区的放电率、注意选择性和行为表现产生影响；但在记忆阶段抑制其活动时，调控的效果并不能持续到测试阶段，也因此不对行为产生影响。这说明，LPFC-p可能更在特征注意（而非工作记忆）上起到了因果性地关键作用。
论文原文：
Mendoza-Halliday, D., Xu, H., Azevedo, F. A. C., & Desimone, R. (2024). Dissociable neuronal substrates of visual feature attention and working memory. Neuron, 112(5), 850-863 e856. doi:10.1016/j.neuron.2023.12.007
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