人類大腦擁有一項(xiàng)重要的功能特性——大腦皮層的可塑性，這意味著大腦可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)不斷調(diào)整和適應(yīng)。這種可塑性不僅能通過(guò)主動(dòng)訓(xùn)練（如知覺(jué)學(xué)習(xí)）產(chǎn)生，還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的、重復(fù)的暴露實(shí)現(xiàn)?；谥貜?fù)暴露的皮層可塑性在幫助我們靈活應(yīng)用知識(shí)、適應(yīng)不同情境方面起著重要作用。以往研究表明，視覺(jué)序列的暴露可以引發(fā)大腦皮層的預(yù)期性激活，并影響我們對(duì)感覺(jué)信息的加工。然而，關(guān)于這種激活是否與特定的特征相關(guān)，以及序列中的特征信息在大腦中是如何編碼和組織的，仍然存在未解之謎。

近期，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院方方課題組在eLife期刊在線發(fā)表了一篇題為《Non-feature-specific elevated responses and feature-specific backward replay in human brain induced by visual sequence exposure》的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)采用腦磁圖（MEG）技術(shù)，并結(jié)合計(jì)算神經(jīng)建模，揭示了視覺(jué)序列的重復(fù)暴露能夠引發(fā)大腦皮層的雙重可塑性反應(yīng)。

在實(shí)驗(yàn)1中，18名人類被試反復(fù)觀看由4個(gè)運(yùn)動(dòng)方向組成的固定視覺(jué)序列。在隨后的主任務(wù)中，部分試次中僅呈現(xiàn)序列的第一個(gè)或最后一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向（作為線索），另一些試次則呈現(xiàn)完整的視覺(jué)序列。被試只需對(duì)完整序列進(jìn)行一致性判斷（圖1A）。結(jié)果表明，線索誘發(fā)的視皮層預(yù)期性激活與特定的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)（圖1B和1D）。然而，在呈現(xiàn)線索后的空屏期內(nèi)，大腦會(huì)自發(fā)地重新激活先前看到的運(yùn)動(dòng)方向信息，且以一種時(shí)間壓縮的方式反向回放整個(gè)序列（圖1C和1E）。


圖1 （A）實(shí)驗(yàn)1的范式和流程圖。被試首先反復(fù)觀看由4個(gè)運(yùn)動(dòng)方向組成的固定視覺(jué)序列（Exposure phase）。在隨后的主任務(wù)(Main phase)中，部分試次中僅呈現(xiàn)序列的第一個(gè)或最后一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向（作為線索），另一些試次則呈現(xiàn)完整的視覺(jué)序列。被試只需對(duì)完整序列進(jìn)行一致性判斷。（B）僅呈現(xiàn)序列的第一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向作為線索時(shí)，空屏期無(wú)法解碼出特定的運(yùn)動(dòng)方向。（C）僅呈現(xiàn)序列的第一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向作為線索時(shí)，左：運(yùn)動(dòng)方向形成的序列被以時(shí)間壓縮的方式進(jìn)行神經(jīng)活動(dòng)反向回放；右：一個(gè)代表性被試的神經(jīng)活動(dòng)反向回放示例圖。（D）僅呈現(xiàn)序列的最后一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向作為線索時(shí)，同B。（E）僅呈現(xiàn)序列的最后一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向作為線索時(shí)，同D。

在實(shí)驗(yàn)2中，研究團(tuán)隊(duì)探討了這種反向回放是否取決于線索在序列中的位置。實(shí)驗(yàn)2將線索改為序列中的第二或第三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用非首尾位置的刺激作為線索時(shí)，未出現(xiàn)正向或反向神經(jīng)活動(dòng)回放的證據(jù)（圖2A）。在實(shí)驗(yàn)3中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了暴露時(shí)長(zhǎng)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)回放的影響。結(jié)果顯示，即使在減少暴露時(shí)長(zhǎng)的情況下，仍能能夠觀察到一定程度的反向神經(jīng)活動(dòng)回放現(xiàn)象（圖2B）。


圖2 (A) 實(shí)驗(yàn)2結(jié)果。使用序列中的第二或第三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向作為線索時(shí)，未發(fā)現(xiàn)正向或反向神經(jīng)活動(dòng)回放的證據(jù)。（B）實(shí)驗(yàn)3結(jié)果。在減少暴露時(shí)長(zhǎng)的情況下，仍能能夠觀察到一定程度的反向神經(jīng)活動(dòng)回放現(xiàn)象。

綜上所述，本研究首次揭示了視覺(jué)序列的重復(fù)暴露能夠引發(fā)兩種不同的大腦反應(yīng)：一種是與特征無(wú)關(guān)的神經(jīng)激活響應(yīng)，幫助大腦為即將到來(lái)的事件做好準(zhǔn)備；另一種則是與特征相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)回放現(xiàn)象，可能支持與序列相關(guān)的學(xué)習(xí)與記憶功能。這一發(fā)現(xiàn)為我們理解大腦如何處理序列信息提供了全新視角，并揭示了大腦在學(xué)習(xí)和記憶中的重要機(jī)制。

本文第一作者為北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院已出站博士后何濤博士，通訊作者為方方教授。課題組博士生龔曦紫、朱心億、王茜副研究員以及北京師范大學(xué)和北京腦科學(xué)和類腦研究中心柳昀哲研究員做出重要貢獻(xiàn)。本研究獲得了科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目（2022ZD0204802）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31930053）、北京市自然科學(xué)基金（5244044）和教育部人文社會(huì)科學(xué)青年項(xiàng)目（23YJCZH071）等基金資助。

原文鏈接：https://elifesciences.org/reviewed-preprints/101511

2024-11-09