近日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、IDG麥戈文腦科學(xué)研究所羅歡課題組在eLife期刊在線發(fā)表題為“Shared structure facilitates working memory of multiple sequences” 的學(xué)術(shù)論文，并被推薦為eLife digest。該論文發(fā)現(xiàn)了基于共同結(jié)構(gòu)的多維度信息的工作記憶壓縮現(xiàn)象，并揭示其背后的神經(jīng)序列重演機(jī)制。
該論文被eLife評(píng)價(jià)為：采用了一種新穎實(shí)驗(yàn)范式漂亮地展示出人們?nèi)绾卫眯畔⒌慕Y(jié)構(gòu)來(lái)克服工作記憶容量（eLife statement：This valuable study uses a novel experimental design to elegantly demonstrate how we exploit stimulus structure to overcome working memory capacity limits. The presented behavioural and neural evidence are solid and in line with the proposed information compression mechanism. This study will be of interest to cognitive neuroscientists studying structure learning and memory.）
工作記憶容量被認(rèn)為是智力的一個(gè)重要預(yù)測(cè)指標(biāo)。為了克服有限的工作記憶容量，大量行為研究發(fā)現(xiàn)人們會(huì)自發(fā)利用多個(gè)信息間的共同規(guī)律去壓縮信息。然而，這些研究一般僅考慮單一維度信息，背后神經(jīng)機(jī)制也不清楚。 為了回答上述兩個(gè)問(wèn)題， 研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多維度刺激序列記憶任務(wù)并結(jié)合腦電圖記錄解碼大腦對(duì)多維度記憶信息的表征。
具體來(lái)說(shuō)，三個(gè)不同顏色的圓盤順序呈現(xiàn)在不同的空間位置，被試的任務(wù)是記住顏色序列以及空間位置序列，即需要記住兩個(gè)不同維度信息的序列，并在回憶階段，先重復(fù)空間位置序列，再重復(fù)顏色序列。研究團(tuán)隊(duì)操控了圓盤在顏色空間與位置空間中路徑距離的一致性。如下圖所示，在路徑對(duì)齊條件(Aligned trajectory, AT), 顏色地圖中1st 顏色到2nd顏色的距離等于空間地圖中1st 位置到2nd 位置的距離，同時(shí)2nd 顏色到3rd顏色的距離也等于2nd 位置到3rd位置的距離。 而非對(duì)齊條件(Aligned trajectory, MAT)下，路徑長(zhǎng)度在兩個(gè)維度之間不一致。
圖1:實(shí)驗(yàn)范式
行為層面上，具有共同結(jié)構(gòu)的序列條件（ AT）的記憶精確度顯著高于具有不同結(jié)構(gòu)的序列條件（MAT），且AT條件下，被試對(duì)于路徑長(zhǎng)度記憶偏差在兩個(gè)維度之間高度相關(guān)。 該結(jié)果說(shuō)明被試?yán)脙蓚€(gè)維度所共享的路徑結(jié)構(gòu)在工作記憶中對(duì)兩個(gè)序列進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，相較于獨(dú)立記憶三個(gè)顏色和三個(gè)空間位置，被試僅記憶第一個(gè)圓盤的顏色和第一個(gè)空間位置，以及它們所共享的結(jié)構(gòu)路徑。
圖2:行為表現(xiàn)。(ABC) 對(duì)于空間位置以及顏色的記憶精度。(D)路徑記憶偏差在兩維度之間的相關(guān)
神經(jīng)機(jī)制層面主要有兩個(gè)發(fā)現(xiàn)。首先，僅在AT條件下，即兩個(gè)序列具有共享路徑結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)被試回想空間序列時(shí)，其腦電活動(dòng)中會(huì)自發(fā)出現(xiàn)顏色序列的順序重激活。此外，僅在AT條件下，神經(jīng)活動(dòng)中出現(xiàn)共同路徑的重激活，且其激活強(qiáng)度與記憶相關(guān)指標(biāo)顯著相關(guān)。該結(jié)果表明，兩個(gè)序列通過(guò)共同的路徑結(jié)構(gòu)被壓縮在一起，通過(guò)自發(fā)的神經(jīng)重演和壓縮路徑編碼來(lái)對(duì)信息在工作記憶中進(jìn)行重組織，進(jìn)而克服工作記憶容量限制。
圖3:顏色信息在位置信息回想階段的重激活。(A)左邊:AT條件；右邊:MAT條件。(B)兩條件之間的差異。
圖4:路徑結(jié)構(gòu)信息的表征。(ABC) 1st-2nd, 2nd-3rd , 1st-3rd路徑表征。(C)1st-2nd路徑重激活與行為表現(xiàn)的關(guān)系。
綜上，該研究采用了一種新穎實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從行為和神經(jīng)結(jié)果上一致展示了人類利用跨維度信息所共享的結(jié)構(gòu)來(lái)克服工作記憶容量限制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息在工作記憶中的有效組織。課題組以往的序列工作記憶研究發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)序列重演對(duì)于工作記憶信息保存的重要作用(Huang et al., 2018, 2021)， 本研究則進(jìn)一步探索了神經(jīng)重演在跨維度序列信息的整合和壓縮中的核心作用。
本研究獲得國(guó)家科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目。已畢業(yè)的北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院黃巧莉博士（目前在德國(guó)馬普所人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所從事博士后研究工作）為本文第一作者以及共同通訊作者。北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所的羅歡研究員為本文的共同通訊作者。
文章鏈接：https://elifesciences.org/reviewed-preprints/93158
2024-06-28