Nature最新研究：探秘工作记忆的神经机制

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工作记忆——大脑将信息内化并灵活使用它来指导行为的能力——是认知的重要组成部分。尽管已在多个脑区观察到与工作记忆相关的活动，但从实际意义上，神经群如何代表工作记忆以及维持该活动的机制仍不清楚。 近日，Ivan Voitov和Thomas D. Mrsic-Flogel描述了小鼠视觉工作记忆的神经执行过程，并将其结果以“Cortical feedback loops bind distributed representations of working memory”为题发表在Nature 杂志上。

一个分离视觉工作记忆的任务

在消除工作记忆基础上的神经表征的歧义时，一个关键的挑战是行为变量的存在，这些变量独立于感觉信息，但仍存在于决策任务中，并拥有如时间、奖励预期和运动准备等神经过程。 为了解决这一问题，作者设计了一种任务切换范式，在数百次试验中，小鼠必须在执行视觉工作记忆(WM)任务和独立于工作记忆的具有匹配延迟、刺激和奖励统计数据的辨别任务之间交替进行(图1a)。 两项任务之间观察到的关键行为差异是，只有当小鼠参与WM任务时，个体试验中的正确反应才取决于之前刺激间延迟期的持续时间（图1c）。

与工作记忆导致人类反应时间更长这一结论一致，当小鼠参与WM任务时，刺激反应潜伏期更长(图1f)。 通过开发一项任务来隔离小鼠的工作记忆，作者能够确定工作记忆参与的两个心理测量特征：较长的延迟时间会破坏内部保持的感觉信息，以及参与WM任务时反应时间的增加。

图1.视觉工作记忆是由分布的新皮层区域维持的

工作记忆由分布区域维护

在延迟开始时，除S1区域外的其他区域的失活增加了WM任务中的错误反应，但对歧视任务中的反应没有显著影响(图1h)。此外，延迟失活只影响依赖于延迟长度的反应(图1i)，并且不影响对记忆无关的探针刺激的反应，即使在WM任务中(图1i)。相比之下，在刺激呈现过程中使新皮层失活的效果会因皮层面积和任务而分离(图1i)。 这些失活实验表明，在延迟过程中，背侧新皮层的分布区域维持着工作记忆中的感觉信息，而在感觉加工过程中，它们在工作记忆产生动作的过程中分离开来。

与工作记忆无关的神经动力学

AM和M2中的单细胞在刺激间延迟期间至少与刺激物呈现期间一样可能作出反应。在两个任务中，单个细胞的反应谱明显相似(图2a,c)，而两个任务中每个区域的细胞平均延迟周期活动没有显著差异(图2b,d)。在刺激间延迟期间有反应的神经群体表现出了与先前报道的短期记忆任务相似的顺序激活模式，即群体活动平动整个延迟长度(图2e,h)。与之前的报告一致，当动物执行短期记忆任务时，神经种群动态被限制在低维模式(图2f，i)。 通过将种群在Discrimination和WM任务中的活动分别投射到前三个pc上，作者观察到在AM区域或M2区域的延迟或刺激期的任何点上，与通过变换任务标签获得的距离的零分布相比，产生的活动轨迹之间的欧氏距离没有显著差异(图2g,j)。低维神经动力学反应了WM和判别任务的共同过程，如时间、奖励期望或运动准备。

图2.低维神经动力学是独立于工作记忆的

工作记忆的高嵌入

使用线性判别分析(LDA)，作者确定了在整个神经活动空间中捕捉工作记忆表征的两个维度：任务编码维度(CDTASK)，它通过对比相同感觉输入后两个任务的延迟活动来捕捉工作记忆参与引入的活动(图3a)；以及线索编码维度(CDCUE)，该维度通过对比WM任务中延迟活动之前的两种可能的线索刺激来捕捉延迟过程中保持的特定刺激信息(图3a)。 通过将所有活动细胞的延迟活动投影到CDTASK上，作者能够以较高的准确率解码小鼠参与的任务(图3b)。同样，CDCUE预测的延迟活动在之前线索的基础上成功分离试验(图3b)。 作者将延迟期间的单次试验种群活动投射到CDTASK或CDCUE上，发现这些子空间中的活动是持续的，通常跨越延迟的整个持续时间(图3c,f,i,l)。这表明CDTASK活动反映了工作记忆维持不可或缺的神经活动，并支持线吸引子动力学在工作记忆表征维持中的作用。

图3.工作记忆表征的高维嵌入

结 论

局部脑区活动失活后，工作记忆表征在皮层区域间双向和选择性地中断，这为功能性皮层反馈回路在维持内部生成的认知表征中的机制作用提供了直接证据。这种机制以前曾被提出过，并用来解释潜在变量(如先验或上下文信息)对视觉知觉分层模型中感官加工的影响。 本研究结果表明，共同的神经基质，特别是高维群体编码（population codes），是可以在大脑中完成内部模型的，并且这个模型独立于它们的感觉原因和运动后果。

参考文献

Voitov, I., Mrsic-Flogel, T.D. Cortical feedback loops bind distributed representations of working memory. Nature 608, 381–389 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05014-3

编译作者：Ayden（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）