無須開顱，就能操控工作記憶？

原創 山雞&阿莫東森 神經現實 收錄於話題#深度 | Deep-diving161個

工作記憶（working memory）是對資訊進行臨時儲存、即時加工的記憶系統。生活在現代社會中的人類需要時刻處理來自外部的豐富刺激，而完成這些複雜的認知任務大多有賴於工作記憶。因此，工作記憶容量是用於衡量人們認知水平的一項重要指標，也是認知心理學領域有待研究的最為重要的研究課題。

除了或許是認知科學領域最為著名的7±2理論*，工作記憶另一個引人矚目的性質是，儲存於工作記憶中的資訊能抵擋時間的銷蝕。半個世紀以來，許多研究者嘗試對這個性質提出解釋。在上世紀70年代，艾倫·巴德利（Alan Baddeley）提出了經典的工作記憶三系統模型。該模型對工作記憶的保持機制做出瞭解釋：注意力，即中央執行系統（central executive，CE）對於資訊的維持至關重要。即便該領域至今仍對三系統模型存在質疑，中央執行系統的出現啟發了注意重新整理（attentional refreshing）理論的提出。該理論認為，在工作記憶的維持階段，注意力透過不斷重新整理儲存資訊，讓這些資訊的在頭腦中的表徵處於活躍狀態（active state），從而保持在工作記憶中。

*作者注

喬治·米勒（George Miller）提出，人們瞬時記憶的儲存容量一般為 7 個組塊（Miller，1956）。而近來研究顯示，如果被試不使用任何記憶策略，工作記憶容量一般為3到4個組塊（Cowan， 2001； Luck & Vogel， 1997）

在單個神經元層面，動物常常用神經元的發放活動（spiking activity）來編碼資訊。韓國亞洲大學的Jung等人早在2003年就發現，當小鼠在執行工作記憶任務時，前額葉（prefrontal cortex，簡稱PFC）的一些神經元會在工作記憶任務的記憶保持階段（retention stage，亦作delay stage）持續發放，形成所謂的“延遲活動”（delay activity，相關綜述見Sreenivasan & D’Esposito，2019）。

這類延遲活動在非人靈長類動物與人類中都能以不同形式呈現。例如，人類被試在執行工作記憶任務時，功能性核磁共振（fMRI）能檢測出位於內側顳葉（medial temporal lobe）的延遲活動，這則是數千萬乃至數億個神經元共同協作，維持工作記憶的潛在體現。

- 圖1 -

在過去，計算神經科學領域常常以吸引子模型（attractor model）對該類延遲活動進行建模。吸引子模型最早出自上世紀70年代的人工智慧領域，由Hopfield等人提出。簡單來說，在吸引子模型中，大腦編碼需要記憶的外界刺激時使用了一個低維“高度地圖”，地圖中佈滿了“山峰”和“坑窪”（見圖1）。我們可以想象，大腦在某個時刻具有狀態S，S為地圖上的一點。受“重力”影響，S會沿著“山坡”向“坑窪”前進，因此很快就會停留在一個“坑窪”中。這些“坑窪”就是所謂的“吸引子”（attractor）。可以想象，如果大腦在工作記憶任務的記憶保持階段一直維持著這個地圖，那麼在之後的回憶階段中，外界刺激能迅速將大腦狀態S推入某個特定的吸引子中，從而喚起對某個刺激的工作記憶。

然而，以上所述的吸引子模型有一個問題：它只能用於編碼離散的工作記憶。於是，冷泉港實驗室的 Carlos Brody（現就職於普林斯頓大學）等人在2003 年為工作記憶提出了“連續吸引子模型”（continuous attractor model，見圖2），填補了這一空缺。在連續吸引子模型中，（一般情況下）吸引子呈圓形，以支援對連續變化刺激（例如顏色、指標方向、物體溫度等）的編碼。

- 圖2 -

在一些情況下，吸引子模型能很好地詮釋實驗資料：延遲活動似乎是一個神經元群體層級的行為，而吸引子模型也預設了一種群體模式；工作記憶在記憶保持階段容易受到內部自發干擾的影響，因此記憶隨保持階段時長的增加而變差，而連續吸引子模型也容易受到干擾影響，從而產生表徵漂移（representational drift）——這種漂移能影響任務表現。

然而，對於簡單的連續吸引子模型來說，一個無法避免的問題也從中浮現：連續吸引子非常脆弱，不僅容易受內部干擾影響，還很容易因外界干擾刺激而變得不穩定。同時，連續吸引子模型似乎無法很好地解釋為什麼工作記憶能同時保持對多個刺激的記憶。當然，第二個問題可以靠用精度較高的離散吸引子替代連續吸引子解決，但即使如此，離散吸引子本身要求的神經結構就非常複雜和特殊，這樣的神經結構很可能不存在於人腦當中。

因此，一些計算神經科學家宣稱延遲活動並非工作記憶所必需的：不需要延遲活動，我們也能透過其他機制，短暫保持少量資訊。例如，短時可塑性（short-term plasticity，簡稱STP）就能將過去一段時間中的神經活動記錄在神經元之間的突觸強度中。這樣一來，短時間內的突觸強度就形成了一個對未來輸入的“對應過濾器”（matched filter），也就是說，在未來與此前輸入越相似的輸入會引起更強的神經活動，從而喚起相應記憶。這也就是所謂的“STP模型”。

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一些相關實驗已經表明，STP機制可以在沒有神經活動的情況下，將記憶儲存大約1秒。如果需要更長時的工作記憶，則需要定期鞏固這個由突觸強度構成的對應過濾器。這也許就是延遲活動的作用——這些延遲活動或許是神經網路內自發的隨機噪音（random noise）引起了過濾器內突觸強度的鞏固。

很顯然，STP模型與吸引子模型並不互斥——混雜了2種模型的工作記憶模型則稱為“混合模型”（hybrid models）。混合模型不僅可以解決簡單吸引子模型的不穩定問題，還能在保持工作記憶的時候繼續記憶新資訊。藉助這2點，混合模型成為了當今使用最廣的工作記憶神經模型。

近期，一項李嘉琪和黃巧麗為共同作者、羅歡為通訊作者的研究發表於《神經生物學進展》（Progress in Neurobiology）上。研究者在這項研究中透過改變記憶保持階段（maintenance period）呈現的圓盤亮度，成功調節了工作記憶表現。

實驗中，研究者向被試依次呈現兩個方向不同的條形刺激，被試需要記下兩個刺激的方向資訊。刺激消失後，螢幕上將同時呈現兩個閃動的圓盤，兩個圓盤的顏色分別對應此前兩個條形刺激的顏色。隨後圓盤消失，被試需要根據提示，使用滑鼠旋轉螢幕中的條形目標，重現首個刺激或第二個刺激的方向。

該實驗設計的亮點是是記憶維持階段呈現的圓盤。圓盤呈現的顏色資訊與實驗任務無關。圓盤亮度來自隨機生成的白噪聲序列，這兩個圓盤的閃動頻率可分為同步（同步操控）及獨立（基線控制）兩種情況。研究者假設，透過改變這兩個圓盤閃動的同步性，能夠操縱被試的任務表現。

實驗結果顯示，在基線控制條件下，被試對首次出現的刺激記憶程度不如隨後呈現的刺激，表現出了經典的近因效應，這與被試在不加圓盤刺激的控制條件中的表現相同；而在同步操控條件下，近因效應被破壞。研究者認為，這代表在記憶維持階段，兩個圓盤刺激的同步效能夠調節被試的記憶表現。

為了探究圓盤閃動頻率同步性對於工作記憶的調節機制，研究者進一步探究了，在兩圓盤亮度頻率序列相同時，序列時間的錯位關係是否影響被試的記憶表現。也就是說，左側圓盤的閃動序列領先於右側序列200毫秒、圓盤閃動序列的順序與相應記憶專案出現順序一致時（同序，same order）、右側序列領先於左側200毫秒（反序，reversed order）是否能夠導致被試對相應刺激的記憶成績發生改變。實驗結果與研究者預測一致：圓盤閃動頻率的先後操縱了被試對相應刺激的記憶成績。在“反序”操縱條件下，被試行為反應中的近因效應轉換成了首因效應。

不同的圓盤閃動頻率同步性條件。由上至下分別為：基線控制條件、同步操控條件（alpha波）、同步操控條件、同序操控條件和反序操控條件。從圖中可以看出，“同序-反序”操控條件差異幾乎是肉眼無法識別的。

研究者表示，作為一種非侵入式的實驗處理，“動態擾動”正規化能夠在被試無法察覺的前提下操縱他們的工作記憶表現，將被試記憶任務中的近因效應轉換為首因效應，這讓實驗團隊也感到訝異。此外，研究者認為，由於本研究改變的是兩個記憶專案的相對關係，而非絕對的記憶成績，“動態擾動”正規化探究的目標或許更加接近神經網路底層。

在得到行為實驗的結果後，羅歡實驗室與重慶大學的弭元元研究員合作開展了對該現象的建模。如前所述，最近的工作記憶神經模型大都以混合模型（即混雜了吸引子模型和STP機制的模型）為基礎，羅歡實驗室與弭元元建立的模型也不例外。該模型使用前文介紹的連續吸引子模型對不同的刺激方向建模，並且每一個位於吸引子上的神經元都與一個共享的抑制性中間神經元池（inhibitory pool）具有互相連線（reciprocal connection），以建立起記憶研究中十分常見的“墨西哥帽”（Mexican hat）連線性（如下圖所示）。這種連線性只能允許整個連續吸引子中存在單一的“突起”（bump），這個突起對應著一個特定的刺激朝向，而外界刺激能“推動”這個突起，使其沿著連續吸引子運動。除此之外，STP機制增強了吸引子模型的穩定性。建模實驗結果表明，該混合模型會在“動態擾動”的影響下，表現出與人類被試一樣的行為。

至此，羅歡實驗室不僅開發了不使用侵入式腦刺激就能影響人類被試工作記憶的“動態擾動”正規化，還與弭元元研究員一同闡明瞭“動態擾動”正規化的潛在神經基礎。研究團隊認為，“動態擾動”正規化類似於行為宏觀層面的“光遺傳”調控。有了這樣一種能夠應用於人類被試，透過外在刺激操控大腦表現的新工具，我們距離工作記憶機制的謎底，或許更近了一步。

參考文獻

1。Cowan N。 The magical number 4 in short-term memory： A recon sideration of mental storage capacity。 Behavioral and Brain Sciences。 2001； 24：87–185。

2。 Miller GA。 The magical number seven， plus or minus two： Some limits on our capacity for processing information。 Psychological Review。 1956； 63：81–97。

3。 Luck SJ， Vogel EK。 The capacity of visual working memory for features and conjunctions。 Nature。 1997； 390：279–281。

Sreenivasan， K。 K。， & D’Esposito， M。 （2019）。 The what， where and how of delay activity。 Nature Reviews Neuroscience， 20（8）， 466-481。

4。 Li， J。， Huang， Q。， Han， Q。， Mi， Y。， & Luo， H。 （2020）。 Temporally coherent perturbation of neural dynamics during retention alters human multi-item working memory。 bioRxiv， 631531。

作者：山雞、阿莫東森 | 封面：COCO

原標題：《無須開顱，就能操控工作記憶？》