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9月27日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心王立平研究組在《科學》（Science）上，在線發(fā)表了題為《獼猴額葉皮層對空間序列信息的工作記憶編程》的研究論文。該研究通過訓練獼猴在工作記憶中完成對空間序列的排序任務，發(fā)現(xiàn)了獼猴群體額葉神經(jīng)元對時序記憶操作的表征與運行計算機制。

對于時序信息的編碼、存儲、操作和使用是眾多高級認知功能的基礎。人們?nèi)粘Ｉ钪新牭降脑捳Z以及看見的事物，以不同的顆粒度進行感知，從而進入工作記憶中短暫存儲，而后根據(jù)當前目的進行加工處理。例如，對言語中句法和語義的下意識理解、對購物金額的加減乘除心算。然而，前期研究探討了時序記憶的存儲原理，但學界對于下游的加工控制神經(jīng)原理卻所知不多。

為剖析時序記憶的加工控制機制，科研人員選取對序列記憶內(nèi)容的排序作為研究對象。研究人員訓練獼猴記憶一段由連續(xù)在不同位置閃現(xiàn)的點組成的空間序列（記憶期1），并根據(jù)隨后出現(xiàn)的規(guī)則提示去對該序列進行排序（正向排序或逆向排序），最后在一定記憶時間（記憶期2）后進行匯報。研究人員利用高通量電極陣列對獼猴的額葉皮層神經(jīng)元活動進行了記錄。

研究對規(guī)則提示出現(xiàn)前（記憶期1）和規(guī)則出現(xiàn)后（記憶期2）群體神經(jīng)元對工作記憶信號的表征進行分析。大腦中有數(shù)以億計的神經(jīng)元在同時發(fā)放，且其活動強度有高有低，于是每時每刻的大腦狀態(tài)可以被一定程度上簡化成這個上達億維空間中的一個點。若只關注某一特定的時刻（如記憶期），則不同的實驗條件下的“點”便在這個空間中組成了紛繁復雜、難以捉摸的幾何結構。前期研究發(fā)現(xiàn)，大腦中記憶表征空間序列的幾何結構是有規(guī)律的——不同次序上的信息被表征在不同的亞平面（或子空間）中，其表征結構反映了外在刺激的結構，且不同次序所在的子空間彼此正交。

研究顯示，對空間序列記憶信息進行重新排序時，在記憶期1里不同次序的子空間中的位置信息會從原本的子空間中消失，而后在記憶期2中依據(jù)新的順序?qū)⒃镜男畔⒎湃肫鋵涡虻淖涌臻g中。這猶如兩個盒子分別裝著紅球和綠球，當排序發(fā)生后紅球綠球一起從自己的盒子中消失，而后又神奇地出現(xiàn)在了對方的盒子中。進一步，研究通過跨時間解碼分析驗證發(fā)現(xiàn)，在不同次序所在的子空間中，若不發(fā)生排序操作，則各自原本的空間記憶信息隨時間保持穩(wěn)定，而若發(fā)生排序，則各自的空間記憶信息在記憶期1到2的過程中發(fā)生了交換。研究對錯誤試次的分析發(fā)現(xiàn)，若是本不應排序的時候發(fā)生了重排，則在對應空間中也能夠發(fā)現(xiàn)這些錯誤的交換信號。

進一步，研究發(fā)現(xiàn)，在對不同子空間之間的信息進行交換時，每個子空間額外招募了一個臨時存儲自己信息的新的子空間。每個子空間先把原先內(nèi)部的記憶信息傳遞給新的臨時子空間，待到自身內(nèi)部的記憶被清空之后，再將臨時子空間中的記憶信號傳遞給對方。這便完成了子空間之間記憶信息的交換。研究人員通過臨時子空間和次序記憶子空間中信號強度與動力學時間特征的關聯(lián)分析，證明了找到的臨時子空間確實用于存儲和交換記憶信號。

該研究發(fā)現(xiàn)了一個表征規(guī)則的子空間。在這個子空間中，不同規(guī)則下動力學的軌道存在顯著差異。研究通過解碼泛化分析與錯誤試次的分析發(fā)現(xiàn)，該空間與排序過程確實存在關聯(lián)。研究推測，該規(guī)則子空間可能是將外界具體的規(guī)則信號與內(nèi)部抽象的動力學軌道進行聯(lián)系，進而用于交換過程的發(fā)起與門控。該空間控制了次序子空間與臨時子空間之間的信息流動，使得這些子空間在不同的排序規(guī)則下發(fā)生不同的動力學過程。

該研究闡釋了工作記憶的排序機制。一方面，這種排序機制作為多種智能活動的基本運算之一，不僅能夠運用于日常生活中的語言理解、項目規(guī)劃等，而且可以推廣到因果推斷、邏輯推理等復雜的認知活動中。這一機理的發(fā)現(xiàn)為揭示諸多高級認知功能的神經(jīng)機制奠定了基礎。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)大腦與計算機運算機制具有相似性，提示了對大腦認知機制的進一步研究或有助于推動未來類腦計算模塊更加智能化、高效化發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)的作為中間步驟的臨時子空間盡管在主觀上無法被大腦感知，但這些意識下計算的神經(jīng)基礎在物質(zhì)層面上確實存在，同時相關神經(jīng)加工過程在神經(jīng)活動也可以被實際觀測，為明確意識的操作定義、揭示意識的生物學基礎提供了新見解。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院和上海市的支持。該成果由腦智卓越中心和臨港實驗室合作完成。

論文鏈接

研究揭示獼猴額葉皮層對空間序列信息的工作記憶編程