工作記憶指對(duì)外界信息的短暫存儲(chǔ)和操作能力，是腦認(rèn)知核心功能。記住和撥打一個(gè)新號(hào)碼，和朋友聊天，聽(tīng)一場(chǎng)講座，都需要工作記憶的參與。羅歡研究員課題組在以往發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，成功開(kāi)發(fā)出一種全新“動(dòng)態(tài)擾動(dòng)”行為范式，通過(guò)在記憶保持階段呈現(xiàn)有特定時(shí)間關(guān)系的多個(gè)動(dòng)態(tài)亮度序列對(duì)人類(lèi)序列工作記憶進(jìn)行操控（圖1）。課題組進(jìn)一步和重慶大學(xué)弭元元研究員合作，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬，揭示了“動(dòng)態(tài)擾動(dòng)”背后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)短時(shí)突觸可塑性原理。該研究開(kāi)發(fā)了一種原創(chuàng)的工作記憶操控范式，為記憶的動(dòng)態(tài)神經(jīng)機(jī)制提供了全新因果證據(jù)，也為人工智能和類(lèi)腦研究提供了生物啟發(fā)的時(shí)間維度上的新思路。

理解人腦工作原理，可以有正向和逆向兩種方式：對(duì)人腦活動(dòng)進(jìn)行研究以了解認(rèn)知腦機(jī)制；依據(jù)腦機(jī)制發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)逆向輸入操控認(rèn)知行為。羅歡團(tuán)隊(duì)以往工作提示了100-300毫秒是工作記憶存儲(chǔ)和整合多個(gè)物體的窗口 (Huang et al., eLife, 2018)。一個(gè)隨之產(chǎn)生的假設(shè)是：是否能夠設(shè)計(jì)符合該記憶窗口工作原理的輸入來(lái)“偷梁換柱”地改變甚至操控記憶呢？

在一系列認(rèn)知行為實(shí)驗(yàn)中，研究者讓受試記住先后呈現(xiàn)的兩個(gè)朝向信息，接著在記憶保持階段呈現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)無(wú)關(guān)的閃動(dòng)圓盤(pán)。圓盤(pán)亮度為兩個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的白噪聲序列（對(duì)應(yīng)Seq1和Seq2）。我們的假設(shè)是：改變兩個(gè)圓盤(pán)亮度上的時(shí)間關(guān)系可以操控朝向信息的相對(duì)記憶成績(jī)。我們的一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該假設(shè)：

在基線控制條件下（圖2），兩個(gè)圓盤(pán)的亮度時(shí)間序列獨(dú)立無(wú)關(guān)，觀察到經(jīng)典的近因效應(yīng)(第二個(gè)朝向記憶成績(jī)高于第一個(gè))。表明保持階段隨機(jī)閃動(dòng)的圓盤(pán)并不會(huì)對(duì)工作記憶有影響。

在同步操控條件下（圖2），兩個(gè)圓盤(pán)采用同一個(gè)亮度時(shí)間序列 (Seq1 = Seq2)，經(jīng)典近因效應(yīng)顯著破壞。表明對(duì)兩個(gè)亮度序列時(shí)間關(guān)系的調(diào)控可以改變相對(duì)記憶成績(jī)。

在“同序-反序”操控條件下（圖2），兩個(gè)圓盤(pán)仍然采用同一亮度時(shí)間序列，但時(shí)間上有錯(cuò)位關(guān)系，即Seq1領(lǐng)先于Seq2 200毫秒，或者Seq1落后于Seq2 200毫秒。前者稱為同序條件（因?yàn)楹痛碳こ尸F(xiàn)順序一致），后者稱為反序條件（因?yàn)楹痛碳こ尸F(xiàn)順序相反）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)“反序”操控反轉(zhuǎn)了朝向信息的相對(duì)記憶成績(jī)，近因效應(yīng)（2>1）反轉(zhuǎn)為首因效應(yīng)（1>2）。換句話說(shuō)， “反序動(dòng)態(tài)操控”反轉(zhuǎn)了序列記憶。

研究組進(jìn)一步探測(cè)了500毫秒上的“同序-反序操控”，發(fā)現(xiàn)其沒(méi)有200毫秒的記憶反轉(zhuǎn)效果，表明該操控需要在腦工作記憶的內(nèi)在時(shí)間窗口內(nèi)才有效。 值得注意的是，人們意識(shí)上是無(wú)法區(qū)分“同序”和“反序”亮度序列的，然而，這些知覺(jué)上無(wú)法區(qū)分的閃動(dòng)圓盤(pán)被人腦所讀取并顯示了對(duì)記憶不同方向的操控。


圖1


圖2

進(jìn)一步，羅歡課題組和重慶大學(xué)弭元元研究員開(kāi)展合作，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)對(duì)該“動(dòng)態(tài)擾動(dòng)”記憶操控過(guò)程進(jìn)行模擬（圖3）。該模型為一個(gè)包含突觸短時(shí)程可塑性的連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)模型。研究組把該網(wǎng)絡(luò)比擬為人腦工作記憶系統(tǒng)，通過(guò)輸入亮度序列對(duì)其進(jìn)行“動(dòng)態(tài)擾動(dòng)”。模型的記憶讀取成績(jī)完全重復(fù)了前述所有行為操控結(jié)果，并揭示“動(dòng)態(tài)擾動(dòng)”是通過(guò)短時(shí)突觸可塑性實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)信息的有效操控。


圖3

綜上所述，在實(shí)驗(yàn)室以往發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究組提出了符合腦記憶時(shí)間窗口的記憶操控假設(shè)，設(shè)計(jì)了一系列原創(chuàng)“動(dòng)態(tài)擾動(dòng)”范式改變甚至反轉(zhuǎn)了了人類(lèi)多物體工作記憶；進(jìn)一步建立了具有生物合理性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證了該結(jié)果，并揭示了短時(shí)突觸可塑性在該動(dòng)態(tài)擾動(dòng)過(guò)程中的核心作用。

該論文近日發(fā)表在《Progress in Neurobiology》上。北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院博士生李嘉琪和黃巧莉?yàn)檎撐墓餐谝蛔髡?，已畢業(yè)博士生韓起明為本文做出重要貢獻(xiàn)。羅歡研究員和弭元元研究員為本文共同通訊作者。該工作由羅歡研究員承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助完成。

論文連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030100822100037X

Li, J., Huang, Q., Han, Q., Mi, Y.*, Luo, H.* (in press) “Temporally coherent perturbation of neural dynamics during retention alters human multi-item working memory. Progress in Neurobiology.

https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2021.102023

2021-03-06