撰稿：奚笛
校审：NeuExpress_北林
2024年6月27日，耶鲁大学Jacob A. Miller教授和美国范德堡大学Christos Constantinidis教授在Nature Reviews Neuroscience期刊发表标题为“Timescales of learning in prefrontal cortex”的综述论文，该研究主要探讨了灵长类动物前额叶皮层在学习过程中不同时间尺度的相互作用及其对行为的指导作用。研究详细阐述了长期记忆如何塑造工作记忆的神经活动，以及这些活动如何在学习的不同阶段（从秒到年）中促进灵长类动物前额叶皮层的可塑性变化。此外，研究还讨论了前额叶皮层如何在学习和记忆系统之间整合学习经验，以指导适应性行为。
为了在世界中生存并适应性地行动，我们必须利用当前时刻的过去经验。这种生存可能涉及记忆特别丰饶的香蕉树的方向，或者在市场购买香蕉时心中默记食谱，记忆指导我们的当前目标。记忆已被传统上分为三个部分（图1）：首先包括一个标志性的感官记忆系统，它能够在物理世界不再可用后仅维持极短时间的详细图像（大约200毫秒），并且被认为位于感觉（例如视觉）皮层中。另一个极端是长期记忆（LTM），它存储了可以持续数分钟到数年的刺激的简化版本，并依赖于内侧颞叶（MTL）。最后，工作记忆（WM），即维持和操纵不再可用的感官信息的能力，将我们的即时过去与我们未来的行动联系起来，并被认为是在前额叶皮层（PFC）中产生的。![]()
图1. 短期和长期记忆系统和时间尺度之间的联系
这种记忆划分基本上是有缺陷的。上述每个大脑系统都能够在所有记忆时间尺度上表现出可塑性。感觉皮层中的神经元反应随着经验的积累表现出长期变化，这被称为“知觉学习”。MTL和海马区域在各种使用新项目和高工作记忆负荷的工作记忆任务中都很活跃，单个神经元在单项目工作记忆任务中表现出持久的活动，类似于经典PFC在工作记忆期间的发现。通过对经典案例研究的重新考虑和现代神经心理学工具的使用，MTL损伤已被证明会导致长时间延迟期（超过几秒钟）的工作记忆任务的缺陷，甚至对单个项目也是如此。分布式联合皮层区域也表现出长期学习，并以感觉和前额叶皮层属性的混合提供工作记忆功能。然而，PFC可能最生动地展示了不同时间尺度的记忆引导行为如何在几秒钟内追求即时目标时相互影响，并且是作者综述的重点。在本文中，作者概述了一个“前额叶学习”框架，其中PFC中的整合学习系统可以解决记忆过程和目标导向行为操作的基本问题。作者概述了在PFC中工作记忆维持期间受长期记忆因素影响的活动变化。作者回顾了已经报道显示工作记忆延迟活动的PFC相互连接的分布式区域的扩展集。此外，作者强调通过考虑PFC与其他区域和长期记忆系统的相互作用，可以更好地阐明PFC如何以及何时促进工作记忆。正如作者将详细说明的，观察显示工作记忆如何随着熟悉和良好学习的刺激和任务而变化，需要涉及长期记忆系统，并利用长期记忆的分布式神经机械来增加工作记忆容量。关于PFC及其在工作记忆行为中的作用的基本问题存在争议，不同任务、刺激和物种之间的数据看似矛盾。关键的是，基于PFC的工作记忆回路与其他记忆系统之间的联系阐明了跨研究和尺度的工作记忆发现的模式。作者展示了PFC中跨时间尺度的学习与记忆的整合，在突触、回路和大规模活动模式的水平上，并展示了使灵活行为成为可能的结构组成部分和功能机制。总的来说，作者概述了三个主要主题：（1）长期学习对工作记忆的塑造，影响来自并与长期记忆过程部分重叠的神经基质；（2）灵长类动物PFC在活动模式的可塑性转换中的独特解剖和功能倾向；以及（3）学习后PFC中神经活动变化的性质，从尖峰到大规模模式，活动空间——神经活动模式的主导结构——在训练和学习的秒、分钟和月份中转变。在19世纪晚期，心理学家们高尚地寻求学习和记忆的普遍理论。Tulving（2007）著名地将其比作伞：“‘记忆’这个词本身就成了一个涵盖所有不同种类的伞术语，心理学家们曾经梦想提出一个全面的‘记忆理论’，现在变得像关于伞的心理学理论一样无关紧要。”即使是正式的学习和记忆定义，至今也难以捉摸。一个简单的框架来描述学习是一个生物体经历的两个时间点之间的差异，正如Rescorla和Holland所建议的（关于学习和记忆的历史和定义的完整讨论，见参考文献17）。然而，作者扩展了这些潜在的巨大差异在学习时间尺度上应如何被整合。即使表面上只关注工作记忆或短期记忆任务范式，不同任务时期甚至单一试验的影响仍然存在。这种持续的经验随后指导了我们的“前额记忆”。在灵长类动物中，随着进化大脑复杂性的增加，工作记忆容量、精确度、抗干扰能力和项目切换能力也得到了提高。为了研究这些工作记忆能力的生物学基础，Fuster大约50年前首次在工作记忆中进行了神经元记录。从那时起，在描述工作记忆期间信息如何被维持的单单元、群体和全脑水平的基质方面取得了实质性进展，包括维持和操纵工作记忆内容的计算机制以及皮层和亚皮层群体在促进成功的工作记忆行为方面的潜在差异性角色。然而，多个神经和认知学习记忆系统并不独立运作：即使是最简单的工作记忆任务（例如，在延迟扫视范式中记住视觉刺激的位置）也显示出学习、练习和长期偏见的影响。这些不同时间尺度的学习和记忆塑造了我们的目标导向行为。关于PFC在工作记忆中的角色的持续辩论存在跨研究、物种和方法（例如，信息维持与特定工作记忆内容的控制）；关于支持工作记忆的神经活动基质（持续放电的产生与突触变化）；以及关于工作记忆维持的位置（PFC与分布在大脑中的不同程度）。作者认为，考虑学习使我们能够更好地理解看似矛盾的发现背后的认知和神经驱动因素。也就是说，学习不仅告诉我们神经过程如何在实验时间点上发生变化，而且还阐明了工作记忆本身的重要属性。例如，工作记忆中信息维持的机制也显示出多种属性，经典的更稳定的、在细胞的再循环网络中的持久尖峰与动态的、“活动沉默的”或基于突触的信息维持形成对比，尖峰用于刷新连接权重的模式。然而，考虑情景记忆和学习机制可能会统一这两种观点。工作记忆和长期记忆在平衡中工作，以维持信息，以最佳行为使用：对于在长时间延迟或注意力焦点之外维持的信息，情景记忆过程可能反映基于突触的工作记忆的观察结果。因此，传统上被认为是通过再循环维持信息的PFC回路也可以被理解为长期可塑性的关键枢纽，将即时工作记忆与长期知识结构和特定记忆或经验联系起来。同样，外侧PFC作为感觉、联合和运动皮层以及众多亚皮层结构的多模态枢纽的相互连接性质，不仅允许活动在循环中回响，这对于工作记忆维持至关重要，而且还提供了指导基于当前需求和过去经验的工作记忆所需的一系列输入输出。工作记忆通常在秒级的层面上通过任务范式进行研究：在典型的工作记忆任务中，一个刺激短暂地呈现给受试者，然后移除，之后他们必须做出反应。例如，他们可能被要求报告记住的刺激的身份或位置，或指出第二个刺激是否与第一个匹配。刺激和反应之间的时间，即工作记忆的“延迟期”，在这个期间，神经活动模式必须维持受试者不再可用的感觉内容，这一点引起了极大的兴趣。支持这些成功工作记忆的基础模型是在多年的实验中发展起来的，这些实验主要实施了一项物品、延迟扫视/反扫视或单物品视觉匹配/不匹配范式。这些研究的结果表明，PFC中的神经回路表现为连续的吸引子系统，在延迟期间维持它们的激活模式。有限的持续时间和容量是工作记忆的定义特征，并且是研究的核心主题。这些瓶颈可能源于需要在环路中通过连续的回响来维持信息，以及介导它们的神经元的内在属性，而不是在突触连接的长期模式中。来自电生理学、人类功能性神经成像和计算模型的证据显示了灵长类动物外侧PFC在没有感觉输入的情况下支持工作记忆行为的多种角色。PFC中的活动模式与在延迟期间维持精确刺激信息相关联，在与其他联合和感觉区域的协调中。PFC发出多种控制信号，管理上下文适当的反应，包括在延迟期间对时间本身的编码以及执行输入-输出门控功能，通过这些功能，刺激进入或从工作记忆中被选择。在这些情况下，通过增加对PFC作为存储即时工作记忆内容的孤立吸引子系统的看法，有更多的学习空间。虽然作者主要关注长期记忆对工作记忆的影响，但这些相互作用是双向的，因为外侧PFC-MTL连接可以控制长期记忆的编码和检索过程。计算模型表明，PFC输入到MTL的输出结构，如内嗅皮层，可以控制依赖海马体的学习。在人类实证数据中，通过提高外侧PFC的活动来介导上下文适当的回忆和特定记忆的有目的遗忘。更短的时间尺度工作记忆维持和快速统计学习路径甚至可能损害情景记忆的长期巩固，这表明工作记忆和其他回路的控制程度以及基于当前和未来目标平衡记忆系统的需求。长期学习的时间尺度可以增强工作记忆，允许一个容量受限的系统在刺激有意义或明确利用长期记忆的结构化知识时，超越典型的限制。例如，通过长期记忆的学习使“记忆运动员”能够通过使用结构化的知识体系快速编码数百个项目的序列，而相比之下，立即工作记忆的主动维持通常被限制在4-7个项目。工作记忆的较短时间尺度与任务会话中的基于奖励和基于选择的较长学习过程相互作用，以及在几分钟内对刺激之间时间或序列关联的隐式统计学习。在这些情况下，尽管工作记忆行为在每次试验中发生，目标是基于立即相关的信息进行响应，但过去的经验可以提高（有时甚至“损害”）表现。例如，随着时间的推移，具有深刻熟悉度的有意义的刺激，如宠物小精灵、面孔或现实世界对象，在工作记忆表现上显示出相对优势，并相对于无意义的刺激或与没有广泛刺激熟悉度的个体相比，容量有所增加。工作记忆表现的提升被理论化为在编码期间对项目进行更深层次的整合，减少了在工作记忆延迟期间对高能维持的需求。计算证据表明，现实世界刺激的统计数据和特征以及灵长类视觉系统的层次组织有助于工作记忆系统的带宽限制，为现实世界刺激如何最适合最大化工作记忆到容量上限提供了一种解释。然而，我们必须考虑工作记忆容量限制不太可能仅仅是神经架构的限制；对于由数千个单元组成的环路来说，存储超过七个项目作为神经活动模式是微不足道的。它可能有更多关于生物物理资源和权衡的解释——有时被称为容量的“资源合理”解释。即使在奖励或训练的情况下，限制工作记忆系统的神经回路原理仍然是根本上的兴趣所在，值得我们去探究，不管确切的环境或其他因素如何帮助解释为什么存在有限容量的系统。项目关联记忆结构也将工作记忆与更广泛和更长期的具体项目表征联系起来，这些表征被安排进模式（项目之间的结构化关系进入组或模型）。例如，长期工作记忆训练（数周至数月）在涉及接触复杂分形刺激的工作记忆任务上提高了工作记忆表现，即使单独显示，工作记忆中的项目也可以检测到类别刺激信息。这可以通过强烈编码的长期记忆表征来解释，这些表征被用于工作记忆的编码和维持。确实，有人建议单个工作记忆项目的维持是记忆激活的分级连续体的高端，与长期记忆内容的维持以及传统的MTL-皮层回路之间的深度互动几乎没有区别或认可。学习并不是对工作记忆能力的无限提升：训练和学习的效果通常是特定的，而且在工作记忆和其他认知范式之间的远认知转移是值得怀疑的。此外，学习和记忆系统之间以及它们的使用基于目标的持续权衡：学习经验可以在某些环境中阻碍我们，而在其他环境中提高我们的表现。特定长期记忆情节和背景的重新呈现可以导致工作记忆中的分心，并偏向即时决策制定，通过增加对熟悉信息的干扰敏感性来扰乱理想行为。那么，互动学习系统的效用是什么呢？毕竟，记忆系统的分离不会导致工作记忆更有效和更高容量的处理吗？首先，工作记忆系统与更慢的强化学习系统保持平衡和协调，以根据任务需求和刺激负载调节奖励依赖性反应。在游戏过程中，学习多步游戏后的特定专业知识从提高工作记忆中受益。也就是说，专家依赖于更大的计划深度——在走棋时考虑游戏中的下一个序列，并在移动时记住它们——并且能够将即时动作与他们过去的经验目录联系起来。然后，工作记忆与最长学习时间尺度和更快的行为系统接口，促使作者考虑我们在运行甚至一个实验范式时学习了多少。灵长类动物和大型猿类，特别是，表现出显著的工作记忆和学习能力，物种间的差异与行为和大脑组织的复杂性增加平行；然而，人类和非人灵长类（NHP）的研究结果难以比较。值得注意的是，大多数NHP电生理学或神经成像研究是在任务和刺激熟悉度很高之后进行的，比人类在执行工作记忆范式前遇到的规则要多得多。当研究人员报告一个黑猩猩主题在空间工作记忆任务中非常熟练，甚至比一组大学生还要熟练时，就发生了这种混淆和阐释的一个著名例子。一个简单但平淡无奇的解释似乎是，经过相同量的训练后，天真的大学生可以轻易超越这个黑猩猩主题。在整合重复学习的知识的同时指导即时短期目标的行为，会带来进化优势，并与使用工具等行为的发展平行。经典的损伤研究指出PFC是这种复杂认知的中心，PFC本身在灵长类动物和人类进化中都有所扩展。物种间的差异可能与工作记忆存储本身的固有限制或扩展有关，或者与学习和纳入规则和上下文信息以用于工作记忆的能力有关。在纯粹的工作记忆表现方面，人类比NHPs有更大的容量，黑猩猩在灵活更新工作记忆和工作记忆容量方面与4-7岁的人类儿童相当。学习本身在人类和NHP之间也有所不同——在需要受试者根据他们必须检测和切换的隐式规则（例如颜色和形状）对卡片进行分组的经典卡片排序任务中，NHP通常能够很好地执行任务，但他们犯更多的固执错误（即，在规则切换后未能切换他们对任务的方法），并且比人类学习规则的时间更长，类似于有外侧PFC损伤的人类患者。NHP和人类都可以进行显式学习，但NHP比人类更慢地检测隐式、抽象的任务规则。然后，PFC作为一个关键的支点，不仅可以询问灵长类动物工作记忆的共同点和差异，还可以询问“是什么让学习起作用”。作者讨论了外侧PFC的三个主要建筑特征，这些特征为跨时间尺度的学习提供了神经计算资源和整合：（1）密集的颗粒状，锥体细胞层有助于在工作记忆中维持即时信息。外侧PFC是一个高度颗粒状、未层化的皮层区域，具有密集的第三层大锥体细胞体，这些细胞是灵长类动物相对于啮齿类和其他哺乳动物物种的皮层类型的一个关键微观解剖学标志。将神经元追踪剂注入外侧PFC的第三层显示皮层小柱，即相邻的、密集的局部投影在具有相似功能属性的锥体神经元之间跨层形成，然后通过第五层和第六层的深层输出连接到外侧PFC的其他区域。这些颗粒状的第三层细胞及其局部群体是通过对秒级持续时间的吸引子状态进行工作记忆维持的模型的基础，它们的输入和尖峰的长期总和（激活时间尺度约为150毫秒）被认为即使相对于联合皮层的其他区域，也能提供更一致的反复活动模式。（2）PFC内部的强互连和长距离连接“地图”用于与大脑其余部分的输入-输出功能。PFC的基础理念是将其定位为一个整合节点以促进学习，最近的神经解剖学进步提供了对支持这些整合功能的局部和全局结构的一瞥。在PFC内，“小柱”之间的局部连接形成了分布但部分重叠的局部环路，并作为多个工作记忆或其他表征同时共存的画布——例如，多个刺激、目标、行动计划和上下文表征可以在同一PFC区域内叠加或汇聚。此外，在小柱内，锥体神经元之间的密集侧向连接是工作记忆延迟期间活动模式的反复兴奋的基础。这种多重功能和神经解剖学组织从电生理记录中暗示出来，但被认为低于功能性神经成像可能达到的毫米级分辨率，因此使用这种方法无法检测到，这使得跨不同研究的尺度和物种的比较变得迫切。（3）神经化学状态调节PFC的调子，以适应短期和长期时期的适应性学习和行为。来自多种深部神经调节源的投射为外侧PFC提供神经化学调子，包括多巴胺能的（即D1R受体）、胆碱能的以及其他神经化学和激素信号，这些信号提供状态依赖的PFC功能变化。这些发现通常可以被概括为“倒U形”效应，其中神经化学调子的最佳峰值可以为当前任务创造理想的表征或活动水平。然而，这样的曲线因任务和时间尺度以及不同形式的“理想”表征而异——一些神经化学对工作记忆回路动态的调节可能在几秒钟内有益，然后在几分钟到几小时内的延长影响下变得有害，这取决于神经和行为状态。神经化学因素在PFC的细胞和连接结构之上提供调整，需要更多的理论和实验工作来理解神经化学如何影响回路层面的表征和行为。我们实际上能在PFC中检测到哪些神经信号，以及何时检测到？执行任何认知任务都会产生强烈的PFC激活，并出现代表与任务中包含的感官刺激相关的各种变量的神经活动，以及定义它的规则和偶然性。在人类神经成像中，外侧PFC和其他联合区域在跨研究中显示出高激活和招募。PFC中的单个神经元根据任务规则表现出不同的活动水平，例如，当受试者被提示需要对匹配或不匹配的刺激做出反应时，尽管试验可能以其他方式涉及相同的刺激。在人类神经成像的尺度上，外侧PFC沿前后轴的层次梯度对认知任务中学到的不同规则和控制水平做出反应。同样，前额叶神经元对学习到的对象类别或当它们需要做出感知决定时的对象数量表现出选择性。其他众所周知的在受试者被训练执行任务后调制前额叶神经元的因素包括奖励期望或作为任务一部分的特定事件序列。最近，这种在多种任务条件下的灵活调整被描述为“混合选择性”，并被理论化为使用少量PFC神经元实现有意义的复杂表征，同时实现高效的下游读取。然而，检测到的特定计算模式（例如，神经维度或群体响应的几何形状）仍然因任务变量而异，因为学习塑造了观察到的神经反应模式。基于任务因素，反映任务变量的特定神经几何形态，如刺激位置或顺序的特定神经几何形态出现。即使基于给定的任务目标和训练制度，也观察到看似相反的模式：动态编码（随着时间变化的神经群体编码）在不可预测的任务中出现，而稳定编码（在时间点上一致的群体编码）在更可预测的任务中出现，工作记忆活动模式的表征维度在不同的认知任务中可以是高或低（图2）。![]()
图2. 跨多个组织水平的外侧前额叶皮层神经活动的时间尺度
理解跨研究的差异因训练和“前”与“后”学习阶段之间的时间而变得复杂。如果提供了足够的训练和跨越学习阶段的观察，主导效应似乎表现为通过学习刺激和任务环境所招募的扩大区域的活动增加。这些变化包括在有意义的刺激出现后激活的神经元数量的增加（即，学习后额外的神经元表示任务事件或刺激），以及最初活跃的神经元的放电率的增加。计算模型表明，不同的选择性细胞类型从这些神经生物学和代谢限制中出现，并且重新使用任务组件的分布式表征可以促进任务的泛化。对行为需求的时间变化的灵活性也更高，因为神经元在不同的时间信封中发射，而不是统一激活。最后，PFC内部和跨区域的连接模式有助于通过皮层-亚皮层环路协调这种灵活的工作记忆任务表征（图3）。![]()
图3. 这些生理特征使外侧前额皮质成为学习过程的理想中枢
更大群体的神经元的招募，以更高的速率发射，可以在人类神经成像研究中导致血氧水平依赖的功能MRI信号的变化，这些研究报道在工作记忆任务训练后激活区域的扩大。然而，其他研究表明，在认知训练后前额叶血氧水平依赖的活动减少，并且通常被解释为处理效率的提高。但是，NHP模型的神经生理学研究也揭示了训练后放电率下降的一些情况，这解释了为什么在神经成像的更长时间常数和空间尺度上平均可能会不一致或看起来学习/训练抑制了神经活动的总体水平。专注于学习和PFC模式变化的时标以及跨学习可检测到的无数不同效应都是至关重要的，需要更多的纵向、高度采样的学习研究：学习和学习前后的所有时间点并不相同。训练引起的神经活动变化并不总是能通过成像研究检测到，因为它们可能引起平均放电率之外的变化。训练减少了连续试验中放电率水平的变异性，通过连续试验中尖峰计数的方差除以均值来量化。同样，训练减少了噪声相关性——同一试验中两个神经元围绕它们平均响应的放电率的相关减少或增加。任务训练还改变了持久活动的进程和动态。例如，已知一些神经元的放电率在试验过程中会上升或减少，因此在不同的时间点动态编码信息，或者以优化输入到PFC的模式。跨神经元的分布式活动模式可能会发生相当大的变化，而皮层毫米级体素中的平均放电率变化却很微妙。与被动观察刺激的动物相比，经过训练，这些变化变得更加明显。许多像PFC这样的神经网络模型未能重演超出单一任务试验的扩展学习，但增加过去活动状态的持续影响的关键修改可以扩展这种学习能力。将神经解剖学上有趣但尚未探索的学习机制纳入工作记忆回路模型将极大地推进对PFC作为适应性学习和行为中心的实验-理论理解。例如，兴奋性-抑制性连接平衡了学习的理想网络架构，而这仅被调节性相互作用和环路层面解剖的复杂性放大。在将全脑连接性添加到工作记忆的动态系统建模方面的进步已经显示出优势，可以解析PFC和其他皮层区域随时间的独特贡献，以及它们在神经调节状态下的功能和功能障碍。明显的放电模式变化可能是前额网络中神经元之间突触连接的潜在变化以及单个神经元的生物物理属性变化的结果。这些尖峰产生的时间尺度可以预测工作记忆任务中神经元的功能性角色，并且经过扩展的任务训练后通过整合长距离输入而改变。一个关键问题是，神经元活动的内在时间尺度如何维持长时间整合行为的工作记忆表征。可以通过网络建模来解析不同神经回路属性的重要性。循环神经网络可以模拟复杂的认知任务，并通过人工网络中单元之间连接矩阵的权重变化来模拟新任务的习得，模仿神经元突触机制并指向突触可塑性的潜在机制。在整个学习过程中，赋予这些网络生物学启发的兴奋性和抑制性连接可以使我们解析出哪些突触权重随时间对学习贡献最大，这目前超出了NHP神经元记录的技术能力。循环抑制性到抑制性连接对学习尤其关键，因为它们控制了兴奋性单元在工作记忆延迟期间的活动。在工作记忆延迟期间细胞的顺序激活使时间灵活性得以实现，并且可以在几秒钟内将神经元的时间尺度联系起来。展望未来，纳入关键的生物学约束和神经解剖学引导的连接将更好地推进研究者对特定神经生物学属性如何贡献于工作记忆、学习和行为灵活性的理解。工作记忆和长期记忆过程双向影响彼此，但构成这些相互作用的具体突触和神经回路属性变化是什么？我们可以揭开可能适用于灵长类动物外侧PFC的学习背后的环路构建块。工作记忆和长期记忆相互作用背后的可塑性变化可能位于外侧PFC第二/第三层锥体细胞的树突树中。在几项研究中，通过来自其他区域（包括丘脑）的长距离输入传递到第一层内神经元的皮层突触后权重在经过学习信号后得到加强。从那里，第一层内的内神经元对第二/第三层锥体细胞体产生去抑制效应，诱导长期增强并控制特定记忆内容的表征。关键的是，这些突触的激活可以诱导来自其他长距离输入的学习效应，而这些突触变化取决于NMDA受体的调节。权重变化和更低的激活阈值可以然后通过网络传播，并通过交叉相关性、尖峰时序依赖性可塑性甚至同步振荡活动分布这种效应，留下“典型”工作记忆回路中的持久学习痕迹。PFC中这些招募的神经元的数量、分布和组织对于确定在什么情况下介观神经成像可以检测到神经回路中的工作记忆活动模式至关重要（图4）。![]()
图4. 长期学习和工作记忆相互作用的突触和环路机制
如果学习改变了神经元之间的连接模式，那么相同的刺激可能会在训练过程中产生不同的反应，即使它们与任务执行无关。这一预测得到了最近的实验发现的支持，这些发现揭示了与训练前以相同方式被动呈现的刺激相比，随着训练的进行，会产生逐渐不同的反应。通过这种方式，PFC神经元反映了MTL回路中的配对编码原则，其中对单个刺激及其配对的反应随着时间的推移而增强。同样，学习执行额外的任务也会改变在先前学习任务的背景下代表信息的活动水平。在人类神经成像研究中，实验设置和更快的学习使研究人员能够在个体中探索数十种认知任务，表明包括PFC在内的联合皮层的全脑网络参与执行广泛的任务，并且这些活动模式反映了任务目标和形式之间的共性和差异的结构。学习某一时刻起作用的各种认知因素，似乎主要改变了我们在PFC的微电极尖端所看到的：任意变量和抽象规则的表征可能只有在学习执行任何给定任务后才会出现。关键的是，重要的是要注意PFC代表了大量信息，即使有时在没有训练和学习经验的情况下也是如此。例如，前额叶神经元对空间和形状信息表现出选择性，并在刺激出现后即使在不需要记住它们的受试者中，甚至在任何工作记忆任务训练之前，都会产生持续的放电。这一结果也与发现一致，即训练有素的受试者的前额叶神经元即使在任务中不相关时也代表刺激属性，尽管活动水平有所降低。总之，学习因素的万花筒塑造了PFC，使其环路已经为学习效果做好了准备，以发展功能组织和表征，以最好地指导即时行为。在过去十年的系统、认知和计算神经科学中，工作记忆任务中立即需求与学习和记忆的较长时间窗口之间的交互作用是一个关键的进展。在本文中，作者提供了一个统一的视角来解释灵长类动物前额叶皮层（PFC）如何关键地指导适应性行为：通过作为通往过去的窗口，在当前需求的基础上指导未来的行为。记忆系统在时间尺度上的划分并不能完全精确地映射到大脑区域；相反，前额叶皮层活动受长期记忆（LTM）的影响，从而为熟悉和学习过的刺激和任务提供了更大的工作记忆（WM）能力。进化上的进步并没有显著增加工作记忆的容量，尽管人类大脑的神经元数量激增，但工作记忆的容量仍然受限于少数几个项目，而是在时间尺度上的灵活整合上有所提高，作者称之为前额叶学习。与此相反的方案是，几秒钟、几分钟和几个月的训练和学习改变了活动空间，以促进PFC中与行为相关的表征和动态。其他核心框架考虑了PFC环路如何更广泛地促进强化学习过程和灵活行为，作者扩展了这些观点，将明确的联系纳入长期学习和记忆系统的机制中。在高层次上，PFC功能的主要作用是执行最适合当前任务需求的行为偶然性，这基于最近和过去的经历。然而，作者并不主张完全消除记忆系统之间的任何界限，关键差异仍然存在：没有任何训练或学习过程可以使工作记忆的容量超过长期记忆的限制。就像在19世纪一样，现在也没有单一统一的记忆理论即将出现。但现代的实验方法和未来的研究必须考虑到记忆系统之间的联系，这些联系永远不能完全孤立。这并不是一个混乱，而是为我们提供了解决记忆关键缺失环节的机会，并使用包含纵向抽样、多区域记录和跨物种及尺度的平行调查的范式。通过将记忆类型及其底层环路原理视为同时、持续和相互连接地为我们的目标服务，将会取得最大的进步。Christos Constantinidis博士，美国范德堡大学（Vanderbilt University）生物医学工程系教授。课题组研究主要集中在前额叶皮层（PFC）的功能，特别是其在工作记忆、注意力和决策制定中的作用。他对理解大脑如何在复杂环境中处理信息和指导行为有深入的研究，他的工作对于理解大脑功能和促进相关疾病的治疗方法有着深远的意义。
实验室链接：
https://lab.vanderbilt.edu/constantinidis-lab原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41583-024-00836-8如果您对脑科学传播感兴趣，或者期待通过撰写文献解读督促自己阅读和思考最新的文献，亦或者是您想通过撰写文献解读锻炼自己的科学写作能力，欢迎联系NeuExpress编辑部，联系方式：
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