北京大学脑科学家开发一种操控人脑工作记忆的“动态扰动”新范式

工作记忆指对外界信息的短暂存储和操作能力，是脑认知核心功能。记住和拨打一个新号码，和朋友聊天，听一场讲座，都需要工作记忆的参与。

罗欢研究员课题组在以往发现基础上，成功开发出一种全新“动态扰动”行为范式，通过在记忆保持阶段呈现有特定时间关系的多个动态亮度序列对人类序列工作记忆进行操控（图1）。课题组进一步和重庆大学弭元元研究员合作，建立了神经网络动力学模型对该过程进行模拟，揭示了“动态扰动”背后的神经网络短时突触可塑性原理。该研究开发了一种原创的工作记忆操控范式，为记忆的动态神经机制提供了全新因果证据，也为人工智能和类脑研究提供了生物启发的时间维度上的新思路。

理解人脑工作原理，可以有正向和逆向两种方式：对人脑活动进行研究以了解认知脑机制；依据脑机制发现设计逆向输入操控认知行为。罗欢团队以往工作提示了100-300毫秒是工作记忆存储和整合多个物体的窗口 (Huang et al., eLife, 2018)。一个随之产生的假设是：是否能够设计符合该记忆窗口工作原理的输入来“偷梁换柱”地改变甚至操控记忆呢？

在一系列认知行为实验中，研究者让受试记住先后呈现的两个朝向信息，接着在记忆保持阶段呈现两个任务无关的闪动圆盘。圆盘亮度为两个随机产生的白噪声序列（对应Seq1和Seq2）。我们的假设是：改变两个圆盘亮度上的时间关系可以操控朝向信息的相对记忆成绩。

图1

我们的一系列实验验证了该假设：

在基线控制条件下（图2），两个圆盘的亮度时间序列独立无关，观察到经典的近因效应(第二个朝向记忆成绩高于第一个)。表明保持阶段随机闪动的圆盘并不会对工作记忆有影响。在同步操控条件下（图2），两个圆盘采用同一个亮度时间序列 (Seq1 = Seq2)，经典近因效应显著破坏。表明对两个亮度序列时间关系的调控可以改变相对记忆成绩。在“同序-反序”操控条件下（图2），两个圆盘仍然采用同一亮度时间序列，但时间上有错位关系，即Seq1领先于Seq2 200毫秒，或者Seq1落后于Seq2 200毫秒。前者称为同序条件（因为和刺激呈现顺序一致），后者称为反序条件（因为和刺激呈现顺序相反）。结果发现“反序”操控反转了朝向信息的相对记忆成绩，近因效应（2>1）反转为首因效应（1>2）。换句话说，“反序动态操控”反转了序列记忆。

图2

进一步，罗欢课题组和重庆大学弭元元研究员开展合作，建立了神经网络动力学模型来对该“动态扰动”记忆操控过程进行模拟（图3）。该模型为一个包含突触短时程可塑性的连续吸引子网络模型。研究组把该网络比拟为人脑工作记忆系统，通过输入亮度序列对其进行“动态扰动”。模型的记忆读取成绩完全重复了前述所有行为操控结果，并揭示“动态扰动”是通过短时突触可塑性实现对网络存储信息的有效操控。

图3

综上所述，在实验室以往发现的基础上，研究组提出了符合脑记忆时间窗口的记忆操控假设，设计了一系列原创“动态扰动”范式改变甚至反转了了人类多物体工作记忆；进一步建立了具有生物合理性的神经网络动力学模型验证了该结果，并揭示了短时突触可塑性在该动态扰动过程中的核心作用。

该论文近日发表在《Progress in Neurobiology》上。北京大学心理与认知科学学院博士生李嘉琪和黄巧莉为论文共同第一作者，已毕业博士生韩起明为本文做出重要贡献。罗欢研究员和弭元元研究员为本文共同通讯作者。该工作由罗欢研究员承担的国家自然科学基金重点项目资助完成。

罗欢

北京大学心理与认知科学学院研究员

北京大学麦戈文脑科学研究所PI

实验室研究领域：

罗欢实验室（“动态世界观”）从事基础认知神经科学方向的研究，特别集中在研究各种认知过程中的动态结构、时间组织及其脑神经机制。主要研究手段包括高时间采样认知行为范式、脑磁图(MEG)、脑电图(EEG)。我们的研究兴趣很广，现阶段所包含的课题涉及感知觉、注意、记忆、听觉节奏等等，每一位实验室成员都有自己比较独特的方向。也欢迎新成员能带来新思路和新方向。

我们实验室的一个研究特色是从时间这个基本维度来了解大脑处理的基本方式（而不仅仅是发生的脑区）。我们近期的一系列研究发现大脑有其自身的时间处理框架，外部的信息通过大脑内部的时间组织被整合进来，来影响甚至决定我们的认知行为。我们感兴趣通过设计心理学实验结合具有高时间分辨率的脑成像手段（比如脑电图、脑磁图等）来不断“敲打”大脑，理解大脑自身的工作方式，以及内部世界和外部世界的相互动态关系。

来源：北京大学IDG麦戈文脑科学研究所，brainnews获授权转载。