過去的經(jīng)歷塑造了我們，也潛移默化地影響著我們當下的幾乎所有認知行為。過去與現(xiàn)在緊密交互且自動發(fā)生，這一規(guī)律構成大腦工作的主要基調。2023年3月25日，北京大學心理與認知科學學院、IDG麥戈文腦科學研究所羅歡課題組，在《PloS Biology》在線發(fā)表論文(Zhang & Luo, in press)，從知覺決策的序列偏差現(xiàn)象入手，揭示了當前認知被過去自動重塑的神經(jīng)機制：過去試次中所包含的特征信息被當前試次的對應特征信息從“靜默態(tài)”記憶系統(tǒng)中重新激發(fā)，過去和現(xiàn)在的相遇重構了當前的特征加工，影響了當前的行為，引發(fā)行為上的序列偏差效應。
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神經(jīng)科學家Dean Buonomano教授曾提出一個有趣的比喻——大腦是一臺時光機。我們感知并活在當下，也可追溯過去、預演未來，超越時空限制。更進一步，純粹的當下其實并不存在，每一時刻的認知都無法局限于“此時此地”的感知，而是會自發(fā)受到過去經(jīng)驗的塑造和影響?！叭ツ杲袢沾碎T中，人面桃花相映紅”——一年前的事件在記憶中被激活，進而影響了對當下情境的認知——“人面不知何處去，桃花依舊笑春風”。
記憶的重演和再鞏固在長時記憶領域有廣泛研究（比如去年今日），然而，在我們日常生活中的較短時間尺度上是否存在呢？近十年來，大量心理學行為實驗發(fā)現(xiàn)了廣泛存在于很多認知任務中的序列依賴效應（serial dependence/sequential effects）。該效應指的是，當前實驗試次的感知決策會自動受到前幾個試次的影響并產(chǎn)生系統(tǒng)偏差。這一現(xiàn)象從某種程度挑戰(zhàn)了大部分心理學和認知神經(jīng)實驗的假設，即試次之間是獨立的。該現(xiàn)象表明，大腦認知自動受過去影響，甚至可以無意識發(fā)生。
然而，序列依賴效應是一個非常復雜的現(xiàn)象，其中刺激、決策和反應經(jīng)常混雜在一起，給其機制的揭示帶來了極大挑戰(zhàn)。過去的什么信息被保留并傳遞到后續(xù)試次中？這些信息如何被存儲進而影響后續(xù)的認知加工過程？在本研究中，研究團隊通過分離同一事件中涉及的不同成分（物理刺激、主觀判斷、動作輸出），結合高時間分辨率的腦電信號記錄，系統(tǒng)揭示了序列依賴效應背后的“自動重激活”的動態(tài)神經(jīng)機制。該論文被序列依賴效應研究的先驅者David Burr教授評價為“一篇巧妙又有趣，值得高影響力刊物發(fā)表的論文”（This is a clever and interesting paper worthy of high-impact publication）。
本研究設計了一個聽覺音高分類任務。受試者需要在每個試次中，對播放的純音進行音高分類，進行按鍵報告。通過精細的實驗設計，研究團隊可以在同一試次中分離出三種特征（音調、類別、動作按鍵）的影響。結果發(fā)現(xiàn)，這三種特征都存在序列依賴效應，且具有不同的特性和影響方向：音調特征表現(xiàn)為排斥效應，類別特征表現(xiàn)為吸引效應，運動按鍵表現(xiàn)為排斥效應（圖1）。
圖1 多特征的序列偏差行為。音高引起排斥效應（左），類別引起吸引效應偏差（中），運動按鍵引起排斥效應（右）。
對同時記錄的腦電活動信號的分析進一步揭示了序列依賴效應的動態(tài)神經(jīng)機制。首先，當前試次的腦電活動中能解碼當前試次的信息（預料之中）。但最為有趣的是，當前的事件發(fā)生會自動激發(fā)過去試次的相應特征信息：音調信息激發(fā)過去試次的音調，類別信息激發(fā)過去試次的類別，運動響應激活過去試次的運動反映（圖2）。值得注意的是，過去試次包含的信息因為已經(jīng)發(fā)生，理論上是可以一直處于激活狀態(tài)的，然而研究結果表明，它們會潛入記憶的“靜默態(tài)”，直到被當前試次的相應事件所重新激活。
圖2 當前試次信息的神經(jīng)表征（左）和過去試次信息的重激活（右）
進一步，過去信息的重激活也并不確定表明過去對當前的重塑，更無法揭示該影響的偏差方向（排斥或吸引）。研究團隊進而開發(fā)新方法刻畫過去對當前信息神經(jīng)表征的方向性影響。結果表明，當前信息的神經(jīng)表征確實會被過去影響，產(chǎn)生吸引或者排斥的偏移，且該神經(jīng)偏移的方向與行為上不同特征的序列偏差的方向一致，并可以預測行為上的序列偏差效應（圖3）。在實驗一基礎上，研究團隊設計了實驗二考察了其他因素，進一步驗證了序列依賴效應的特征特異性的記憶重激活機制。
圖3 過去信息引起當前信息神經(jīng)表征的偏移。（a）分析示意圖。（b）當前各特征信息表征受過去信息影響產(chǎn)生偏移的動態(tài)過程。
綜上，課題組通過精細的實驗設計，將刺激-決策-反應這三個高相關的變量分離，首次系統(tǒng)揭示了序列依賴效應背后的“記憶重激活”動態(tài)神經(jīng)機制：過去的信息被當前的對應信息從“靜默態(tài)”記憶系統(tǒng)中自動激發(fā)，過去和現(xiàn)在的相遇重構了當前的信息加工，影響了當下的行為。時間依賴性是腦工作的基本規(guī)律，該全新發(fā)現(xiàn)揭示了過去對當前重塑的動態(tài)腦機制，提示了短時間尺度的工作記憶和長時間尺度的長時記憶的可能聯(lián)系，為大腦作為“時光機”的操作機制和神經(jīng)原理提供了重要啟發(fā)。
該論文標題為“Feature-specific reactivations of past information shift current neural encoding thereby mediating serial bias behaviors”。北京大學心理與認知科學學院張惠惠博士為本文第一作者。張惠惠博士與羅歡研究員為本文共同通訊作者。本研究獲得國家科學和技術創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學基金重點項目、中國博士后科學基金項目資助。
文章鏈接：https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002056
2023-03-30