2024年11月7日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所的羅歡課題組與浙江大學(xué)丁鼐課題組的合作研究成果，題為“Two-dimensional neural geometry underpins hierarchical organization of sequence in human working memory”，正式在《Nature Human Behaviour》上發(fā)表。這項(xiàng)研究揭示了人腦工作記憶系統(tǒng)中的層級(jí)折疊重組機(jī)制。
人類的記憶系統(tǒng)并非簡單的硬盤或緩存，而是一個(gè)具有不精確性和構(gòu)建性的復(fù)雜系統(tǒng)。就像整理衣櫥一樣，我們的工作記憶會(huì)對(duì)外界信息進(jìn)行重新組織，以更高效地利用有限的存儲(chǔ)容量。例如，一串?dāng)?shù)字在記憶中會(huì)被分成多個(gè)組塊，每個(gè)組塊又可以包含更小的子組塊。這種層級(jí)化的組織方式可以有效地壓縮、存儲(chǔ)和提取信息，從而提升記憶的泛化能力、容錯(cuò)性和組合性。
課題組設(shè)計(jì)了具有自然層級(jí)特性的字詞序列，讓人類受試保持在工作記憶中，通過腦電圖、腦磁圖記錄人腦活動(dòng)，探究該序列在工作記憶中的神經(jīng)幾何表征模式。研究發(fā)現(xiàn)，該一維序列并不是以一維鏈條或一維組塊的形式在工作記憶中存儲(chǔ)，而是被重組織到一個(gè)二維幾何空間上。該平面包含兩個(gè)近乎正交的表征軸，分別對(duì)應(yīng)整體位置（序列中的組塊序號(hào)）和局部位置（組塊中的元素序號(hào)）。簡而言之，一維序列依照層級(jí)化組織被“折疊”存儲(chǔ)在二維表征空間中。這種二維幾何模式不僅在多種實(shí)驗(yàn)材料和多種實(shí)驗(yàn)任務(wù)的腦活動(dòng)中一致出現(xiàn)，也反映在人類的行為，即記憶的錯(cuò)誤模式分布上。進(jìn)一步，神經(jīng)活動(dòng)中的層級(jí)模式強(qiáng)度和人類行為中的層級(jí)特性相互關(guān)聯(lián)。
層級(jí)序列在工作記憶中的折疊存儲(chǔ)
從更廣泛的角度來看，層級(jí)化折疊是一種高效的信息組織方式，例如自然界中的蛋白質(zhì)折疊、社會(huì)群體的層級(jí)結(jié)構(gòu)等等。層級(jí)結(jié)構(gòu)也被認(rèn)為廣泛存在于人類的各種認(rèn)知過程中，包括語言、音樂、運(yùn)動(dòng)、決策和執(zhí)行控制等。本研究首次在人腦的工作記憶中發(fā)現(xiàn)了層級(jí)化折疊的全新神經(jīng)機(jī)制及其對(duì)記憶行為的重要作用，為腦認(rèn)知和類腦人工智能等領(lǐng)域提供了“結(jié)構(gòu)化”的重要啟發(fā)和全新思路。
折扇比喻——人腦工作記憶對(duì)序列信息的層級(jí)化折疊
北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院博雅博士后范瑩為論文的第一作者，北京大學(xué)羅歡研究員、浙江大學(xué)丁鼐研究員為本文共同通訊作者，北京大學(xué)王牧之博士、方方教授為本研究做出重要貢獻(xiàn)。研究獲得國家科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目資助。
Fan, Y., Wang, M., Fang, F., Ding, N.*, Luo, H.* (2024) 2-D Neural Geometry Underpins Hierarchical Organization of Sequence in Human Working Memory. Nature Human Behaviour. DOI: 10.1038/s41562-024-02047-8
原文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41562-024-02047-8
2024-11-08