工作記憶指對外界信息的短暫存儲和操作能力，是腦認(rèn)知核心功能。記住和撥打一個新號碼，和朋友聊天，聽一場講座，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，成功開發(fā)出一種全新“動態(tài)擾動”行為范式，通過在記憶保持階段呈現(xiàn)有特定時間關(guān)系的多個動態(tài)亮度序列對人類序列工作記憶進(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)動力學(xué)模型對該過程進(jìn)行模擬，揭示了“動態(tài)擾動”背后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)短時突觸可塑性原理。該研究開發(fā)了一種原創(chuàng)的工作記憶操控范式，為記憶的動態(tài)神經(jīng)機(jī)制提供了全新因果證據(jù)，也為人工智能和類腦研究提供了生物啟發(fā)的時間維度上的新思路。
理解人腦工作原理，可以有正向和逆向兩種方式：對人腦活動進(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)計逆向輸入操控認(rèn)知行為。羅歡團(tuán)隊以往工作提示了100-300毫秒是工作記憶存儲和整合多個物體的窗口 (Huang et al., eLife, 2018)。一個隨之產(chǎn)生的假設(shè)是：是否能夠設(shè)計符合該記憶窗口工作原理的輸入來“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)的兩個朝向信息，接著在記憶保持階段呈現(xiàn)兩個任務(wù)無關(guān)的閃動圓盤。圓盤亮度為兩個隨機(jī)產(chǎn)生的白噪聲序列（對應(yīng)Seq1和Seq2）。我們的假設(shè)是：改變兩個圓盤亮度上的時間關(guān)系可以操控朝向信息的相對記憶成績。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），兩個圓盤的亮度時間序列獨(dú)立無關(guān)，觀察到經(jīng)典的近因效應(yīng)(第二個朝向記憶成績高于第一個)。表明保持階段隨機(jī)閃動的圓盤并不會對工作記憶有影響。
在同步操控條件下（圖2），兩個圓盤采用同一個亮度時間序列 (Seq1 = Seq2)，經(jīng)典近因效應(yīng)顯著破壞。表明對兩個亮度序列時間關(guān)系的調(diào)控可以改變相對記憶成績。
在“同序-反序”操控條件下（圖2），兩個圓盤仍然采用同一亮度時間序列，但時間上有錯位關(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)了朝向信息的相對記憶成績，近因效應(yīng)（2>1）反轉(zhuǎn)為首因效應(yīng)（1>2）。換句話說， “反序動態(tài)操控”反轉(zhuǎn)了序列記憶。
研究組進(jìn)一步探測了500毫秒上的“同序-反序操控”，發(fā)現(xiàn)其沒有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)在時間窗口內(nèi)才有效。 值得注意的是，人們意識上是無法區(qū)分“同序”和“反序”亮度序列的，然而，這些知覺上無法區(qū)分的閃動圓盤被人腦所讀取并顯示了對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)弭元元研究員開展合作，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型來對該“動態(tài)擾動”記憶操控過程進(jìn)行模擬（圖3）。該模型為一個包含突觸短時程可塑性的連續(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)，通過輸入亮度序列對其進(jìn)行“動態(tài)擾動”。模型的記憶讀取成績完全重復(fù)了前述所有行為操控結(jié)果，并揭示“動態(tài)擾動”是通過短時突觸可塑性實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)存儲信息的有效操控。
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間窗口的記憶操控假設(shè)，設(shè)計了一系列原創(chuàng)“動態(tài)擾動”范式改變甚至反轉(zhuǎn)了了人類多物體工作記憶；進(jìn)一步建立了具有生物合理性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型驗(yàn)證了該結(jié)果，并揭示了短時突觸可塑性在該動態(tài)擾動過程中的核心作用。
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