工作記憶指對外界信息的短暫存儲和操作能力，是腦認知核心功能。記住和撥打一個新号碼，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現基礎上，成功開發出一種全新“動态擾動”行為範式，通過在記憶保持階段呈現有特定時間關系的多個動态亮度序列對人類序列工作記憶進行操控（圖1）。課題組進一步和重慶大學弭元元研究員合作，建立了神經網絡動力學模型對該過程進行模拟，揭示了“動态擾動”背後的神經網絡短時突觸可塑性原理。該研究開發了一種原創的工作記憶操控範式，為記憶的動态神經機制提供了全新因果證據，也為人工智能和類腦研究提供了生物啟發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：對人腦活動進行研究以了解認知腦機制；依據腦機制發現設計逆向輸入操控認知行為。羅歡團隊以往工作提示了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)。一個随之産生的假設是：是否能夠設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？

在一系列認知行為實驗中，研究者讓受試記住先後呈現的兩個朝向信息，接着在記憶保持階段呈現兩個任務無關的閃動圓盤。圓盤亮度為兩個随機産生的白噪聲序列（對應Seq1和Seq2）。我們的假設是：改變兩個圓盤亮度上的時間關系可以操控朝向信息的相對記憶成績。我們的一系列實驗驗證了該假設：

在基線控制條件下（圖2），兩個圓盤的亮度時間序列獨立無關，觀察到經典的近因效應(第二個朝向記憶成績高于第一個)。表明保持階段随機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)，經典近因效應顯著破壞。表明對兩個亮度序列時間關系的調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，但時間上有錯位關系，即Seq1領先于Seq2 200毫秒，或者Seq1落後于Seq2 200毫秒。前者稱為同序條件（因為和刺激呈現順序一緻），後者稱為反序條件（因為和刺激呈現順序相反）。結果發現“反序”操控反轉了朝向信息的相對記憶成績，近因效應（2>1）反轉為首因效應（1>2）。換句話說， “反序動态操控”反轉了序列記憶。

研究組進一步探測了500毫秒上的“同序-反序操控”，發現其沒有200毫秒的記憶反轉效果，表明該操控需要在腦工作記憶的内在時間窗口内才有效。 值得注意的是，人們意識上是無法區分“同序”和“反序”亮度序列的，然而，這些知覺上無法區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

進一步，羅歡課題組和重慶大學弭元元研究員開展合作，建立了神經網絡動力學模型來對該“動态擾動”記憶操控過程進行模拟（圖3）。該模型為一個包含突觸短時程可塑性的連續吸引子網絡模型。研究組把該網絡比拟為人腦工作記憶系統，通過輸入亮度序列對其進行“動态擾動”。模型的記憶讀取成績完全重複了前述所有行為操控結果，并揭示“動态擾動”是通過短時突觸可塑性實現對網絡存儲信息的有效操控。

圖3

綜上所述，在實驗室以往發現的基礎上，研究組提出了符合腦記憶時間窗口的記憶操控假設，設計了一系列原創“動态擾動”範式改變甚至反轉了了人類多物體工作記憶；進一步建立了具有生物合理性的神經網絡動力學模型驗證了該結果，并揭示了短時突觸可塑性在該動态擾動過程中的核心作用。

該論文近日發表在《Progress in Neurobiology》上。beat365官方网站博士生李嘉琪和黃巧莉為論文共同第一作者，已畢業博士生韓起明為本文做出重要貢獻。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的國家自然科學基金重點項目資助完成。

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