發(fā)布時(shí)間：2025-11-25
2025年11月24日，《Nature Communications》在線發(fā)表了題為《Flexible Use of Limited Resources for Sequence Working Memory in Macaque Prefrontal Cortex》的研究論文。該工作由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）王立平研究組與上海交通大學(xué)、臨港實(shí)驗(yàn)室謝洋研究組合作完成，系統(tǒng)揭示了前額葉皮層如何在認(rèn)知資源有限的條件下，靈活分配并高效編碼工作記憶信息。
在日常生活中，我們的大腦總是在處理各種信息，但它的容量其實(shí)非常有限，一次大約只能記住三四件事情。比如地鐵要換幾次線。但令人驚訝的是，大腦非常靈活：即使遇到新的路線，它也能迅速調(diào)整，把信息“記住”。 容量有限，卻能隨時(shí)應(yīng)變，這正是人類大腦最聰明的地方。那么大腦是如何在資源有限的情況下，實(shí)現(xiàn)如此高效而靈活的記憶運(yùn)作的？
為回答這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)可變長(zhǎng)度的序列工作記憶任務(wù)。在每個(gè)試次中，獼猴需要依次記住1、2、3或4個(gè)依次閃現(xiàn)的空間位置，并按順序報(bào)告（圖一）。這一任務(wù)要求獼猴不僅維持多個(gè)記憶項(xiàng)目，還要根據(jù)當(dāng)下的記憶負(fù)荷動(dòng)態(tài)地組織這些信息。
圖1：長(zhǎng)度可變的視覺(jué)空間位置序列記憶任務(wù)。
研究團(tuán)隊(duì)使用雙光子成像和多通道電極陣列，在獼猴前額葉皮層記錄了大量神經(jīng)元的活動(dòng)。結(jié)果顯示，當(dāng)需要記住的項(xiàng)目較少時(shí)，神經(jīng)元群體表征呈現(xiàn)出高分辨率、彼此分離的幾何結(jié)構(gòu)，好像整齊地把每個(gè)記憶項(xiàng)目放進(jìn)單獨(dú)的小抽屜；而隨著記憶項(xiàng)目增多，這些表征逐漸壓縮并相互重疊（圖二），提示前額葉皮層內(nèi)部正在進(jìn)行資源共享與競(jìng)爭(zhēng)。
圖二：隨著序列長(zhǎng)度的增加，序列工作記憶（SWM）的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化：環(huán)的半徑逐漸減小，不同環(huán)之間的干擾逐漸增強(qiáng)。
進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)記憶負(fù)荷增加時(shí)，大腦并不是不斷招募新的神經(jīng)元，而是反復(fù)“再利用”已有的神經(jīng)元。這些神經(jīng)元既能穩(wěn)定保留早先的信息，又能靈活調(diào)整去編碼新的信息，并盡量減少不同記憶項(xiàng)目之間的干擾。隨著需要記住的項(xiàng)目增多，這些神經(jīng)元在保留舊信息、編碼新信息、以及減少信息間干擾之間進(jìn)行權(quán)衡，體現(xiàn)了前額葉皮層對(duì)有限資源的主動(dòng)調(diào)配。
圖三：當(dāng)新項(xiàng)目進(jìn)入工作記憶時(shí)，前額葉可通過(guò)兩種方式分配資源：①招募新的神經(jīng)元；②循環(huán)利用已有神經(jīng)元。循環(huán)利用的神經(jīng)元包括穩(wěn)定型（綠，兼顧舊/新信息）和靈活型（藍(lán)，從舊信息切換到新信息）。
這一研究揭示了前額葉皮層能夠在認(rèn)知資源受限的條件下，通過(guò)動(dòng)態(tài)重組群體表征的幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效而可泛化的工作記憶編碼，為理解工作記憶資源上限及其靈活調(diào)配機(jī)制提供了關(guān)鍵神經(jīng)依據(jù)。
中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）的博士研究生李思唯為該研究的第一作者，博士陳靜文，副研究員張聰和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院唐世明教授為研究做出了重要貢獻(xiàn)，上海交通大學(xué)、臨港實(shí)驗(yàn)室的謝洋研究員和中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所的王立平研究員為本論文的通訊作者。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和上海市的經(jīng)費(fèi)資助。
附件下載： 
