摘要

工作记忆是大脑认知系统的一部分，负责临时保存可用于处理的信息。工作记忆对于推理、指导决策和行为很重要。每当我们做出决定、推理和回忆时大脑相应区域会活跃。

工作记忆是一种特殊的瞬时记忆，对于完成学习、运算、推理和语言理解等复杂的认知活动其重要作用。随着年龄的增长，大脑执行工作记忆的能力会逐渐下降。此外，年龄、压力、脑外伤、缺氧、糖尿病等都会对人的记忆力产生影响。

波士顿大学心理学和脑科学助理教授Rob Reinhart和博士研究员John Nguyen共同的研究证明，电刺激可以改善六七十岁人的工作记忆，从而提高他们在记忆任务中的表现。而且这种改善的结果使其记忆水平与20岁人一致。

对于年龄相关的认知功能障碍的生理基础，该研究结果提供了深入了解的依据，并为未来开发认知衰退的非药物干预方法提供了基础，为阿尔茨海默的治疗带来了新的希望。该研究由美国国立卫生研究院（ National Institutes of Health）资助并发表在自然神经科学杂志（Nature Neuroscience）。

对工作记忆的研究

Reinhart和Nguyen研究的主要目标是工作记忆。

工作记忆（working memory）：所谓工作记忆是具有有限容量的大脑认知系统的一部分，负责临时保存可用于处理的信息。工作记忆对于推理、指导决策和行为很重要。每当我们做出决定、推理和回忆时大脑相应区域会活跃。工作记忆通常与短期记忆同义，但是一些理论心理学家认为两种形式的记忆是不同的，假设工作记忆允许操作被存储的信息，而短期记忆只涉及短期信息存储。

Baddeley和Hitch 进一步细化了工作记忆的多组分模型（ multicomponent model of working memory）。该理论提出了一个包含四个组成部分的模型：中央执行（central executive）、语音循环（ phonological loop）、情节缓冲区（episodic buffer）和视觉空间觉模板（ visuospatial sketchpad ），中央执行作为各种控制中心指导语音和视觉空间组成部分之间的信息，而情节缓冲区集成了的语音、视觉和空间信息，以及可能未包含在这两个系统中的信息（例如，语义信息、音乐信息），情节缓冲区也是工作记忆和长期记忆之间的联系。

工作记忆对于各种任务至关重要，例如识别面部、进行算术和大脑的导航系统。工作记忆在很大程度上取决于大脑前额叶皮质，随着年龄的增长，其恶化程度超过其他大脑区域。

莱因哈特解释说，从20岁末30岁初开始，人的工作记忆逐渐下降，主要由于大脑的某些区域之间逐渐变得不协调甚至断开联系。当我们到了六七十岁的时候，这些神经回路已经恶化到足以使我们中的许多人表现出明显的认知困难，即使没有患阿尔茨海默的情况下也是如此。但是这项研究发现了令人难以置信的结果：通过使用电流无创地刺激失去正常节律的大脑区域，可以大大提高工作记忆的表现。

实验是这样进行的 ，他们招募了42名年龄在20-29岁之间和42名年龄在60-76岁的人，并对他们在一项工作记忆任务中的表现进行了评估。首先要求他们观察图像，然后在短暂停顿后，确定第二张图像是否与原始图像有所不同。最初的实验，年轻人要准确得多，明显优于老年人。然而，当老年人通过头皮电极，并且依据其个性电脑回路设计的25分钟温和电刺激后，两组之间的差异消失了。更加令人兴奋的是，记忆增强至少持续到刺激后50分钟。

在记忆任务期间，与工作记忆相关的大脑活动在青年人（左）的大脑中亮起，但在老年人（中间）的人的大脑中仍然处于休眠状态。电刺激后（右），老年人的大脑活动和年轻人相同。

工作记忆的运行机制

要理解为什么这种技术如此有效，我们需要了解工作记忆正常运行的两种机制：耦合（coupling）和同步（synchronization）。

所谓耦合，就是两个事物之间的联系和连接。当不同类型的大脑节律彼此协调时，就会发生耦合，这有助于我们处理和存储工作记忆。而同步就是来自于不同大脑区域的脑电节律彼此同步。这个过程充当记忆的粘合剂，结合个人的感官细节，创造一个连贯的回忆。当来自大脑的不同区域的Theta节律彼此同步时，单独的大脑区域可以彼此通信。

在脑电波中，其中一种是缓慢的、低频的脑电波，被称之为Theta节律，Theta脑电波最常出现在睡眠中，但在深度冥想中也占主导地位。Theta是我们学习、记忆和直觉的门户。在Theta中，我们的感官从外部世界中撤出，并专注于来自内部的信号。

而另外一种脑电波是脑波中最快的、频率最高的，称为Gamma节律。它与同时处理来自不同脑区的信息有关。Gamma脑波快速而安静地传递信息，头脑必须安静才能获得Gamma。Gamma节律同时调节感知和意识，例如，一个Gamma节律可能会处理你脑海中物体的颜色，而另一个则捕捉其形状，另一个捕捉其方向，还有一个捕捉其声音。

但当Theta节律失去与Gamma节律的连接，并且失去对它的监督和指导时，我们的记忆也会逐渐变得模糊。随着年龄的增长，我们的Theta节奏变得不那么同步，我们记忆的结构也开始退化。

Reinhart和Nguyen的研究表明，通过温和的电刺激，我们可以重建这些随着年龄增长而逐渐衰退的大脑节律的连接，通过恢复大脑内的信息流来提高我们记忆的能力。

不仅仅是老年人能够从这种技术中受益，它也为年轻人带来了希望。在这项研究中，14名年轻的参与者在记忆任务方面表现不佳，由于他们还很年轻，所以研究人员召回他们来电刺激他们的大脑。

“我们发现那些20多岁但表现不佳的年轻人也可以从同样的电刺激中受益。”Reinhart说：“我们同样可以提高他们的工作记忆力，即使他们不到六七十岁的年纪。”

Reinhart又补充说，耦合和同步的存在和改变是连续的。具有强大记忆力的人可能在同步和耦合两方面都很出色，而患有阿尔茨海默病的人可能在这两方面都有很大的困难。也有一些人介于这两个极端之间，可能是一个弱耦合，但同步强大，反之亦然。

展望未来，Reinhart表示：“这为潜在的研究和治疗认知障碍开辟了一条全新的途径，我们对此感到非常兴奋。”Reinhart希望通过将其应用于动物模型来研究电刺激对个体脑细胞的影响，并且搞清楚刺激剂量是如何进一步增强人类大脑回路感的原理。

最重要的是，他希望有一天他的这些发现能够为世界上数千万患有认知障碍的人带来希望，特别是那些患有阿尔茨海默病的人。

参考文献：

Robert M. G. Reinhart, John A. Nguyen. Working memory revived in older adults by synchronizing rhythmic brain circuits. Nature Neuroscience, 2019; DOI: 10.1038/s41593-019-0371-x

未名脑脑说

工作记忆对于各种任务至关重要，例如识别面部、进行算术和大脑的导航系统。从20岁末30岁初开始，人的工作记忆逐渐下降。

通过温和的电刺激，我们可以重建这些随着年龄增长而逐渐衰退的大脑节律的连接，通过恢复大脑内的信息流来提高我们记忆的能力。

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未名脑脑

专注于大脑认知科学、脑健康和心理健康大众科普。创作团队来自于美国伯克利大学、美国宾州大学，北京大学、清华大学、北京师范大学、首都医科大学等国内外大学硕博。

公众号：未名脑脑谈阿尔茨海默

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