Science：王立平团队揭示猕猴额叶皮层对空间序列信息的工作记忆编程

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

对于时序信息的编码、存储、操作和使用是众多高级认知功能的基础。人们日常生活中听到的话语、看见的事物，会以不同的颗粒度进行感知，接着进入工作记忆中短暂存储，而后根据当前目的进行加工处理，比如对言语中句法和语义的下意识理解、对购物金额的加减乘除心算。

然而，虽然包括王立平研究组在内的研究人员在前期已经广泛深入探索了时序记忆的存储原理（Xie et al., Science, 2022; Chen et al., Neuron, 2024 ），但学界对于下游的加工控制神经原理却所知不多。

2024年9月27日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王立平团队在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Mental programming of spatial sequences in working memory in the macaque frontal cortex 的研究论文。

该研究通过训练猕猴在工作记忆中完成对空间序列的排序任务，发现了猕猴额叶神经元对工作记忆操作时的群体表征与运行计算机制。

为了深入研究工作记忆的加工控制机制，研究人员选取了对记忆内容的排序作为研究对象。研究人员训练猕猴记忆一段空间序列——这个空间序列由连续闪现的出现在不同位置的点组成，并根据随后出现的规则提示去对该序列进行排序（正向排序或者逆向排序），最后在一定记忆时间后进行汇报。研究人员利用了高通量电极阵列对猕猴的额叶皮层进行记录，采集了任务过程中大量神经元的数据。

首先，研究人员对规则提示出现前（记忆期1）和规则出现后（记忆期2）群体神经元中工作记忆信号的表征进行了分析。大脑中有数以亿计的神经元在同时发放，其活动强度有高有低，于是，每时每刻的大脑状态可以被一定程度上简化成这个上达亿维空间中的一个点，若是只关注某一特定的时刻（如记忆期），则不同的实验条件下的“点”便在这个空间中组成了纷繁复杂、难以捉摸的几何结构。该团队之前的研究表明（Xie et al., Science, 2022），在记忆一个空间序列的时候，大脑中记忆表征的几何结构是有规律的——不同次序上的信息被表征在不同的亚平面（或子空间）中，而且其表征结构忠实反映了外在刺激的结构。而且，不同次序所在的子空间彼此之间相互正交。

在这项最新研究中，研究团队发现，对空间序列记忆信息进行重新排序时，在记忆期1里不同次序的子空间中的位置信息会从原本的子空间中消失，而后在记忆期2中依据新的顺序将原本的信息放入其对应次序的子空间中——就像两个盒子分别装着红球和绿球，当排序发生后，红绿球一起从自己的盒子中消失，而后又神奇地出现在了对方的盒子中。研究人员进一步通过跨时间解码分析验证了在不同次序所在的子空间中，若不发生排序操作，则各自原本的空间记忆信息随时间保持稳定，而若发生排序，则各自的空间记忆信息在记忆期1到2的过程中发生了交换。通过对于错误试次的分析也表明，若是本不应排序的时候发生了重排，则在对应空间中也能发现这些错误的交换信号。

研究团队进一步发现，在对不同子空间之间的信息进行交换时，每个子空间额外招募了一个临时存储自己信息的新的子空间，每个子空间先把原先内部的记忆信息传递给新的临时子空间，待到自身内部的记忆被清空之后，再将临时子空间中的记忆信号传递给对方，这样便完成了子空间之间记忆信息的交换。研究人员通过临时子空间和次序记忆子空间中信号强度与动力学时间特征的关联分析，证明了找到的临时子空间确实用于存储和交换记忆信号。

最后，研究团队还发现了一个表征规则的子空间，在这个子空间中，不同规则下动力学的轨道有着显著差异，通过解码泛化分析与错误试次的分析，表明该空间与排序过程确实存在关联，因此推测该规则子空间可能是将外界具体的规则信号与内部抽象的动力学轨道进行联系，进而用于交换过程的发起与门控——该空间控制了次序子空间与临时子空间之间的信息流动，使得这些子空间在不同的排序规则下发生不同的动力学过程。

该研究第一次系统地阐释了工作记忆的排序机制。一方面，这种排序机制作为多种智能活动的基本运算之一，不仅仅运用于日常生活中的语言理解、项目规划等方方面面，还可以推广到因果推断、逻辑推理等复杂的认知活动中，对其机理的发现为进一步揭示诸多高级认知功能的神经机制提供了基础。另一方面，研究发现大脑与计算机运算机制有着惊人的相似（如用于信息交换的临时子空间和操作过程），提示了对大脑认知机制的进一步深入研究或许有助于推动未来类脑计算模块的更加智能化、高效化发展。研究中发现的作为中间步骤的临时子空间，尽管在主观上无法被大脑感知，但这些意识下计算的神经基础在物质层面上确实存在，相关神经加工过程在神经活动也能被实际观测，为明确意识的操作定义、揭示意识的生物学基础提供了新的见解。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心博士研究生田拯赫（与中国科学院自动化研究所联合培养）、陈静文和博士后张聪为该论文共同第一作者，中国科学院自动化研究所徐波教授指导了该项工作，临港国家实验室闵斌研究员和中国科学院神经科学研究所王立平研究员为论文通讯作者。这项工作是王立平研究组近年来在空间序列工作记忆方向一系列工作延续，包括Current Biology （2018）、Science（2022）、 Neuron（2024）。

论文链接：

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

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