近日，beat365官方网站、IDG麥戈文腦科學研究所羅歡課題組在eLife期刊在線發表題為“Shared structure facilitates working memory of multiple sequences” 的學術論文，并被推薦為eLife digest。該論文發現了基于共同結構的多維度信息的工作記憶壓縮現象，并揭示其背後的神經序列重演機制。

該論文被eLife評價為：采用了一種新穎實驗範式漂亮地展示出人們如何利用信息的結構來克服工作記憶容量（eLife statement：This valuable study uses a novel experimental design to elegantly demonstrate how we exploit stimulus structure to overcome working memory capacity limits. The presented behavioural and neural evidence are solid and in line with the proposed information compression mechanism. This study will be of interest to cognitive neuroscientists studying structure learning and memory.）

工作記憶容量被認為是智力的一個重要預測指标。為了克服有限的工作記憶容量，大量行為研究發現人們會自發利用多個信息間的共同規律去壓縮信息。然而，這些研究一般僅考慮單一維度信息，背後神經機制也不清楚。 為了回答上述兩個問題， 研究團隊設計了多維度刺激序列記憶任務并結合腦電圖記錄解碼大腦對多維度記憶信息的表征。

具體來說，三個不同顔色的圓盤順序呈現在不同的空間位置，被試的任務是記住顔色序列以及空間位置序列，即需要記住兩個不同維度信息的序列，并在回憶階段，先重複空間位置序列，再重複顔色序列。研究團隊操控了圓盤在顔色空間與位置空間中路徑距離的一緻性。如下圖所示，在路徑對齊條件(Aligned trajectory, AT), 顔色地圖中1st 顔色到2nd顔色的距離等于空間地圖中1st 位置到2nd 位置的距離，同時2nd 顔色到3rd顔色的距離也等于2nd 位置到3rd位置的距離。 而非對齊條件(Aligned trajectory, MAT)下，路徑長度在兩個維度之間不一緻。

圖1:實驗範式

行為層面上，具有共同結構的序列條件（ AT）的記憶精确度顯著高于具有不同結構的序列條件（MAT），且AT條件下，被試對于路徑長度記憶偏差在兩個維度之間高度相關。 該結果說明被試利用兩個維度所共享的路徑結構在工作記憶中對兩個序列進行壓縮存儲。具體來說，相較于獨立記憶三個顔色和三個空間位置，被試僅記憶第一個圓盤的顔色和第一個空間位置，以及它們所共享的結構路徑。

圖2:行為表現。(ABC) 對于空間位置以及顔色的記憶精度。(D)路徑記憶偏差在兩維度之間的相關

神經機制層面主要有兩個發現。首先，僅在AT條件下，即兩個序列具有共享路徑結構時，當被試回想空間序列時，其腦電活動中會自發出現顔色序列的順序重激活。此外，僅在AT條件下，神經活動中出現共同路徑的重激活，且其激活強度與記憶相關指标顯著相關。該結果表明，兩個序列通過共同的路徑結構被壓縮在一起，通過自發的神經重演和壓縮路徑編碼來對信息在工作記憶中進行重組織，進而克服工作記憶容量限制。

圖3:顔色信息在位置信息回想階段的重激活。(A)左邊:AT條件；右邊:MAT條件。(B)兩條件之間的差異。

圖4:路徑結構信息的表征。(ABC) 1st-2nd, 2nd-3rd , 1st-3rd路徑表征。(C)1st-2nd路徑重激活與行為表現的關系。

綜上，該研究采用了一種新穎實驗設計，從行為和神經結果上一緻展示了人類利用跨維度信息所共享的結構來克服工作記憶容量限制，進而實現信息在工作記憶中的有效組織。課題組以往的序列工作記憶研究發現了神經序列重演對于工作記憶信息保存的重要作用(Huang et al., 2018, 2021)， 本研究則進一步探索了神經重演在跨維度序列信息的整合和壓縮中的核心作用。

本研究獲得國家科學和技術創新2030重大項目、國家自然科學基金重點項目。已畢業的beat365官方网站黃巧莉博士（目前在德國馬普所人類認知與腦科學研究所從事博士後研究工作）為本文第一作者以及共同通訊作者。beat365官方网站、麥戈文腦科學研究所的羅歡研究員為本文的共同通訊作者。

文章鍊接：https://elifesciences.org/reviewed-preprints/93158

2024-06-28