2024年9月27日，《Science》期刊在線發(fā)表題為《獼猴額葉皮層對(duì)空間序列信息的工作記憶編程》的研究論文。該研究由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）王立平研究組完成。通過訓(xùn)練獼猴在工作記憶中完成對(duì)空間序列的排序任務(wù)，發(fā)現(xiàn)了獼猴群體額葉神經(jīng)元對(duì)時(shí)序記憶操作的表征與運(yùn)行計(jì)算機(jī)制。

對(duì)于時(shí)序信息的編碼、存儲(chǔ)、操作和使用是眾多高級(jí)認(rèn)知功能的基礎(chǔ)。人們?nèi)粘Ｉ�活中聽到的話語、看見的事物，會(huì)以不同的顆粒度進(jìn)行感知，接著進(jìn)入工作記憶中短暫存儲(chǔ)，而后根據(jù)當(dāng)前目的進(jìn)行加工處理，比如對(duì)言語中句法和語義的下意識(shí)理解、對(duì)購(gòu)物金額的加減乘除心算。然而，雖然包括王立平研究組在內(nèi)的研究人員在前期已經(jīng)廣泛深入探索了時(shí)序記憶的存儲(chǔ)原理（Xie et al., Science, 2022; Chen et al., Neuron, 2024），但學(xué)界對(duì)于下游的加工控制神經(jīng)原理卻所知不多。

為了深入研究時(shí)序記憶的加工控制機(jī)制，研究人員選取了對(duì)序列記憶內(nèi)容的排序作為研究對(duì)象。研究人員訓(xùn)練獼猴記憶一段由連續(xù)在不同位置閃現(xiàn)的點(diǎn)組成的空間序列（記憶期1），并根據(jù)隨后出現(xiàn)的規(guī)則提示去對(duì)該序列進(jìn)行排序（正向排序或者逆向排序），最后在一定記憶時(shí)間（記憶期2）后進(jìn)行匯報(bào)。研究人員利用高通量電極陣列對(duì)獼猴的額葉皮層神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行了記錄。

首先，研究人員對(duì)規(guī)則提示出現(xiàn)前（記憶期1）和規(guī)則出現(xiàn)后（記憶期2）群體神經(jīng)元對(duì)工作記憶信號(hào)的表征進(jìn)行了分析。大腦中有數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元在同時(shí)發(fā)放，其活動(dòng)強(qiáng)度有高有低，于是，每時(shí)每刻的大腦狀態(tài)可以被一定程度上簡(jiǎn)化成這個(gè)上達(dá)億維空間中的一個(gè)點(diǎn)，若是只關(guān)注某一特定的時(shí)刻（如記憶期），則不同的實(shí)驗(yàn)條件下的“點(diǎn)”便在這個(gè)空間中組成了紛繁復(fù)雜、難以捉摸的幾何結(jié)構(gòu)。研究組前期工作表明（Xie et al., Science, 2022），大腦中記憶表征空間序列的幾何結(jié)構(gòu)是有規(guī)律的——不同次序上的信息被表征在不同的亞平面（或子空間）中，其表征結(jié)構(gòu)忠實(shí)反映了外在刺激的結(jié)構(gòu)，而且不同次序所在的子空間彼此正交。 

在本研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)空間序列記憶信息進(jìn)行重新排序時(shí)，在記憶期1里不同次序的子空間中的位置信息會(huì)從原本的子空間中消失，而后在記憶期2中依據(jù)新的順序?qū)⒃�本的信息放入其�?duì)應(yīng)次序的子空間中——就像兩個(gè)盒子分別裝著紅球和綠球，當(dāng)排序發(fā)生后，紅綠球一起從自己的盒子中消失，而后又神奇地出現(xiàn)在了對(duì)方的盒子中。研究人員進(jìn)一步通過跨時(shí)間解碼分析驗(yàn)證了在不同次序所在的子空間中，若不發(fā)生排序操作，則各自原本的空間記憶信息隨時(shí)間保持穩(wěn)定，而若發(fā)生排序，則各自的空間記憶信息在記憶期1到2的過程中發(fā)生了交換。通過對(duì)于錯(cuò)誤試次的分析也表明，若是本不應(yīng)排序的時(shí)候發(fā)生了重排，則在對(duì)應(yīng)空間中也能發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤的交換信號(hào)。

研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在對(duì)不同子空間之間的信息進(jìn)行交換時(shí)，每個(gè)子空間額外招募了一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)自己信息的新的子空間，每個(gè)子空間先把原先內(nèi)部的記憶信息傳遞給新的臨時(shí)子空間，待到自身內(nèi)部的記憶被清空之后，再將臨時(shí)子空間中的記憶信號(hào)傳遞給對(duì)方，這樣便完成了子空間之間記憶信息的交換。研究人員通過臨時(shí)子空間和次序記憶子空間中信號(hào)強(qiáng)度與動(dòng)力學(xué)時(shí)間特征的關(guān)聯(lián)分析，證明了找到的臨時(shí)子空間確實(shí)用于存儲(chǔ)和交換記憶信號(hào)。

最后，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)表征規(guī)則的子空間。在這個(gè)子空間中，不同規(guī)則下動(dòng)力學(xué)的軌道有著顯著差異，通過解碼泛化分析與錯(cuò)誤試次的分析，表明該空間與排序過程確實(shí)存在關(guān)聯(lián)。研究人員推測(cè)，該規(guī)則子空間可能是將外界具體的規(guī)則信號(hào)與內(nèi)部抽象的動(dòng)力學(xué)軌道進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)而用于交換過程的發(fā)起與門控——該空間控制了次序子空間與臨時(shí)子空間之間的信息流動(dòng)，使得這些子空間在不同的排序規(guī)則下發(fā)生不同的動(dòng)力學(xué)過程。

該研究第一次系統(tǒng)地闡釋了工作記憶的排序機(jī)制。一方面，這種排序機(jī)制作為多種智能活動(dòng)的基本運(yùn)算之一，不僅僅運(yùn)用于日常生活中的語言理解、項(xiàng)目規(guī)劃等方方面面，還可以推廣到因果推斷、邏輯推理等復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)中，對(duì)其機(jī)理的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步揭示諸多高級(jí)認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制提供了基礎(chǔ)。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)大腦與計(jì)算機(jī)運(yùn)算機(jī)制有著驚人的相似（如用于信息交換的臨時(shí)子空間和操作過程），提示了對(duì)大腦認(rèn)知機(jī)制的進(jìn)一步深入研究或許有助于推動(dòng)未來類腦計(jì)算模塊的更加智能化、高效化發(fā)展。研究中發(fā)現(xiàn)的作為中間步驟的臨時(shí)子空間，盡管在主觀上無法被大腦感知，但這些意識(shí)下計(jì)算的神經(jīng)基礎(chǔ)在物質(zhì)層面上確實(shí)存在，相關(guān)神經(jīng)加工過程在神經(jīng)活動(dòng)也能被實(shí)際觀測(cè)，為明確意識(shí)的操作定義、揭示意識(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)提供了新的見解。

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